Проблемы многопоточности

Многопоточность – весьма сложная, еще не полностью изученная и, тем более, не полностью формализованная область, в которой имеется много интересных проблем. Рассмотрим некоторые из них.

Семантика системных вызовов fork() и exec(). Как уже отмечалось, в классической ОС UNIX системный вызов fork создает новый "тяжеловесный" процесс со своим адресным пространством, что значительно "дороже", чем создание потока. Однако, с целью поддержания совместимости программ снизу вверх, приходится сохранять эту семантику, а многопоточность вводить с помощью новых системных вызовов.

Прекращение потоков. Важной проблемой является проблема прекращения потоков: например, если родительский поток прекращается, то должен ли при этом прекращаться дочерний поток? Если прекращается стандартный процесс, создавший несколько потоков, то должны ли прекращаться все его потоки? Ответы на эти вопросы в разных ОС неоднозначны.

Обработка сигналов. Сигналы в UNIX – низкоуровневый механизм обработки ошибочных ситуаций. Примеры сигналов: SIGSEGV -нарушение сегментации (обращение по неверному адресу, чаще всего по нулевому); SIGKILL – сигнал процессу о выполнении команды kill его уничтожения. Пользователь может определить свою процедуру-обработчик сигнала системным вызовом signal. Проблема в следующем: как распространяются сигналы в многопоточных программах и каким потоком они должны обрабатываться? В большинстве случаев этот вопрос решается следующим образом: сигнал обрабатывается потоком, в котором он сгенерирован, и влияет на исполнение только этого потока. В более современных ОС (например, Windows 2000 и более поздних версиях Windows), основанных на объектно-ориентированной методологии, концепция сигнала заменена более высокоуровневой концепцией исключения (exception). Исключение распространяется по стеку потока в порядке, обратном порядку вызовов методов, и обрабатывается первым из них, в котором система находит подходящий обработчик. Аналогичная схема обработки исключений реализована в Java и в.NET.

Группы потоков. В сложных задачах, например, задачах моделирования, при числе разнородных потоков, возникает потребность в их структурировании и помощью концепции группы потоков – совокупности потоков, имеющей свое собственное имя, над потоками которой определены групповые операции. Наиболее удачно, с нашей точки зрения, группы потоков реализованы в Java (с помощью класса ThreadGroup). Следует отметить также эффективную реализацию пулов потоков (ThreadPool) в.NET.

Локальные данные потока (thread-local storage - TLS) – данные, принадлежащие только определенному потоку и используемые только этим потоком. Необходимость в таких данных очевидна, так как многопоточность – весьма важный метод распараллеливания решения большой задачи, при котором каждый поток работает над решением порученной ему части. Все современные операционные системы и платформы разработки программ поддерживают концепцию локальных данных потока.

Синхронизация потоков. Поскольку потоки, как и процессы (см. "Методы взаимодействия процессов ") могут использовать общие ресурсы и реагировать на общие события, необходимы средства их синхронизации. Эти средства подробно рассмотрены позже в данном курсе.

Тупики (deadlocks) и их предотвращение. Как и процессы (см. "Методы взаимодействия процессов "), потоки могут взаимно блокировать друг друга (т.е. может создаться ситуация deadlock), при их неаккуратном программировании. Меры по борьбе с тупиками подробно рассмотрены позже в данном курсе.

Потоки POSIX (Pthreads)

В качестве конкретной модели многопоточности рассмотрим потоки POSIX (напомним, что данная аббревиатура расшифровывается как Portable Operating Systems Interface of uniX kind – стандарты для переносимых ОС типа UNIX). Многопоточность в POSIX специфицирована стандартом IEEE 1003.1c, который описывает API для создания и синхронизации потоков. Отметим, что POSIX-стандарт API определяет лишь требуемое поведение библиотеки потоков. Реализация потоков оставляется на усмотрение авторов конкретной POSIX-совместимой библиотеки. POSIX-потоки распространены в ОС типа UNIX, а также поддержаны, с целью совместимости программ, во многих других ОС, например, Solaris и Windows NT.

Стандарт POSIX определяет два основных типа данных для потоков: pthread_t – дескриптор потока; pthread_attr_t – набор атрибутов потока.

Стандарт POSIX специфицирует следующий набор функций для управления потоками:

• pthread_create(): создание потока
• pthread_exit(): завершение потока (должна вызываться функцией потока при завершении)
• pthread_cancel(): отмена потока
• pthread_join(): заблокировать выполнение потока до прекращения другого потока, указанного в вызове функции
• pthread_detach(): освободить ресурсы занимаемые потоком (если поток выполняется, то освобождение ресурсов произойдёт после его завершения)
• pthread_attr_init(): инициализировать структуру атрибутов потока
• pthread_attr_setdetachstate(): указать системе, что после завершения потока она может автоматически освободить ресурсы, занимаемые потоком
• pthread_attr_destroy(): освободить память от структуры атрибутов потока (уничтожить дескриптор).

Имеются следующие примитивы синхронизации POSIX-потоков с помощью мюьтексов (mutexes) – аналогов семафоров – и условных переменных (conditional variables) – оба эти типа объектов для синхронизации подробно рассмотрены позже в данном курсе:

• - pthread_mutex_init() – создание мюьтекса;
• - pthread_mutex_destroy() – уничтожение мьютекса;
• - pthread_mutex_lock() – закрытие мьютекса;
• - pthread_mutex_trylock() – пробное закрытие мьютекса (если он уже закрыт, вызов игнорируется, и поток не блокируется);
• - pthread_mutex_unlock() – открытие мьютекса;
• - pthread_cond_init() – создание условной переменной;
• - pthread_cond_signal() – разблокировка условной переменной;
• - pthread_cond_wait() – ожидание по условной переменной.

Рассмотрим пример использования POSIX-потоков на языке Си.

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

#include <pthread.h>

static void wait_thread(void)

{

time_t start_time = time(NULL);

while (time(NULL) == start_time)

{

// никаких действий, кроме занятия процессора на время до 1 с.

}

}

static void *thread_func(void *vptr_args)

{ int i;

for (i = 0; i < 20; i++) {

fputs(" b\n", stderr);

wait_thread();

}

return NULL;

}

int main(void)

{ int i;

pthread_t thread;

if (pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL)!= 0) {

return EXIT_FAILURE;

}

for (i = 0; i < 20; i++) {

puts("a");

wait_thread();

}

if (pthread_join(thread, NULL)!= 0) {

return EXIT_FAILURE;

}

return EXIT_SUCCESS;

}

Пример иллюстрирует параллельное выполнение основного потока, выдающего в стандартный вывод последовательность букв "a", и дочернего потока, выдающего в стандартный поток ошибок (stderr) последовательность букв "b". Обратите внимание на особенности создания потока (pthread_create), указания его тела (исполняемой процедуры потока thread_func) и ожидания завершения дочернего потока (pthread_join).