Потоки линукс что это

как я понял должны создаваться потоки для ввода каждого элемента матрицы, но
i=1,z=2 — &thr[i+z] укажет на &thr[3]
i=2,z=1 — &thr[i+z] укажет на &thr[3]

>>//Ожидаем завершения всех потоков
>>//идентификаторы потоков хранятся в массиве
>>pthread_join(thr[i], NULL);

при
i=3,z=3 — &thr[i+z] укажет на &thr[6] и этот поток мы не ждем, т.к. size_i=4, правильно? соответственно и расчет данных для таких элементов будет «левым»?

Источник

Легковесные процессы: анатомическое исследование программных потоков в Linux

В этой статье, предназначенной для разработчиков Linux и студентов факультетов компьютерных наук, рассматриваются основы работы программных потоков и их реализация на основе легковесных процессов в ОС Linux, а для лучшего понимания приводятся примеры исходного кода.

Программные потоки являются базовым элементом многозадачного программного окружения. Программный поток может быть описан как среда выполнения процесса; поэтому каждый процесс имеет как минимум один программный поток. Многопоточность предполагает наличие нескольких параллельно работающих (на многопроцессорных системах) и обычно синхронизируемых сред выполнения процесса.

Программные потоки имеют свои идентификаторы (thread ID) и могут выполняться независимо друг от друга. Они делят между собой одно адресное пространство процесса и используют эту особенность в качестве преимущества, позволяющего не использовать каналы IPC (систем межпроцессного взаимодействия — разделяемой памяти, каналов и других систем) для обмена данными. Программные потоки процесса могут взаимодействовать — например, независимые потоки могут получать/изменять значение глобальной переменной. Эта модель взаимодействия исключает лишние затраты ресурсов на вызовы IPC на уровне ядра. Поскольку потоки работают в едином адресном пространстве, переключения контекста для потока быстры и не ресурсоемки.

Каждый программный поток может обрабатываться планировщиком задач индивидуально, поэтому многопоточные приложения хорошо подходят для параллельного выполнения на многопроцессорных системах. Кроме того, создание и уничтожение потоков происходит быстро. В отличие от вызова fork() , в случае потока не создается копии адресного пространства родительского процесса, вместо этого потоки используют совместно адресное пространство вместе с другими ресурсами, включая дескрипторы файлов и обработчики сигналов.

Многопоточное приложение использует ресурсы оптимально и максимально эффективно. В таком приложении программные потоки занимаются различными задачами с учетом оптимального использования системы. Один поток может читать файл с диска, другой записывать данные в сокет. Оба потока будут работать в тандеме, будучи независимыми друг от друга. Эта модель оптимизирует использование системы, тем самым улучшая производительность.

Несколько любопытных особенностей

Наиболее известной особенностью работы с потоками является их синхронизация, особенно при наличии разделяемого ресурса, отмеченного как критический сегмент. Это сегмент кода, в котором осуществляется доступ к разделяемому ресурсу и который не должен быть доступен более чем одному потоку в любой момент времени. Поскольку каждый поток может исполняться независимо, доступ к разделяемому ресурсу не контролируется, что приводит к необходимости использования примитивов синхронизации, включающих в себя мьютексы (mutual exclusion — взаимное исключение), семафоры, блокировки чтения/записи и другие.

Эти примитивы позволяют программистам контролировать доступ к разделяемому ресурсу. В дополнение к вышесказанному, потоки, как и процессы, подвержены переходу в состояния блокировки или ожидания в случае некорректного проектирования модели синхронизации. Отладка и анализ многопоточных приложений также могут быть довольно обременительными.

Как программные потоки реализованы в Linux?

Linux позволяет разрабатывать и использовать многопоточные приложения. На пользовательском уровне реализация потоков в Linux соответствует открытому стандарту POSIX (Portable Operating System Interface for uniX — Переносимый интерфейс операционных систем Unix), обозначенному как IEEE 1003. Библиотека пользовательского уровня ( glibc.so в Ubuntu) предоставляет реализацию API POSIX для потоков.

В Linux программные потоки существуют в двух отдельных пространствах — пространстве пользователя и пространстве ядра. В пространстве пользователя потоки создаются при помощи POSIX-совместимого API библиотеки pthread . Эти потоки пространства пользователя неразрывно связаны с потоками пространства ядра. В Linux потоки пространства ядра воспринимаются как «легковесные процессы». Легковесный процесс является единицей основной среды исполнения. В отличие от различных вариантов UNIX, включая такие системы, как HP-UX и SunOS, в Linux не существует отдельной системы для работы с потоками. Процесс или поток в Linux рассматривается как «задача» (task) и использует одинаковые внутренние структуры (ряд структур struct task_structs ).

Что такое легковесные процессы?

Легковесным процессом является процесс, поддерживающий работу потока пространства пользователя. Каждый поток пространства пользователя неразрывно связан с легковесным процессом. Процедура создания легковесного процесса отличается от процедуры создания обычного процесса; у пользовательского процесса «P» может существовать ряд связанных легковесных процессов с одинаковым идентификатором группы (group ID). Группировка позволяет ядру производить разделение ресурсов (ресурсы включают в себя адресное пространство, страницы физической памяти (VM), обработчики сигналов и дескрипторы файлов). Это также позволяет ядру избежать переключений контекста при работе с этими процессами. Исчерпывающее разделение ресурсов является причиной наименования этих процессов легковесными.

Как Linux создает легковесные процессы?

В Linux создание легковесных процессов осуществляется при помощи нестандартизированного системного вызова clone() . Он похож на вызов fork() , но с более широкими возможностями. Вообще, вызов fork() реализуется при помощи вызова clone() с дополнительными параметрами, указывающими на ресурсы, которые будут разделены между процессами. Вызов clone() создает процесс, при этом дочерний процесс разделяет с родительским элементы среды исполнения, включая память, дескрипторы файлов и обработчики сигналов. Библиотека pthread также использует вызов clone() для реализации потоков. Обратитесь к файлу исходного кода ./nptl/sysdeps/pthread/createthread.c в директории исходных кодов glibc версии 2.11.2.

Создание своего легковесного процесса

Продемонстрируем пример использования вызова clone() . Посмотрите на исходный код из файла demo.c , приведенный ниже:

Первым аргументом является функция потока; она вызывается во время запуска потока. После того, как вызов clone() успешно завершается, функция fn начинает исполняться одновременно с вызывающим процессом.

Последним параметром является аргумент, передаваемый функции ( threadFunction ), в нашем случае это файловый дескриптор.

Пожалуйста, обратитесь к примеру работы с легковесными процессами demo.c , опубликованному нами ранее.

Поток закрывает файл ( /dev/null ), открытый родительским процессом. Поскольку родительский процесс и поток делят таблицу файловых дескрипторов, операция закрытия файла затрагивает и родительский процесс, что приводит к неудаче при последующем вызове write() . Родительский процесс ожидает завершения работы потока (момента приема сигнала SIGCHLD ). После этого он освобождает зарезервированную память и возвращает управление.

Linux предоставляет поддержку эффективной, простой и масштабируемой инфраструктуры для работы с потоками. Это стимулирует интерес программистов к экспериментам и разработке библиотек для работы с потоками, использующих clone() в качестве основной функции.

Пожалуйста, поделитесь своими предложениями/отзывами в разделе комментариев, расположенном ниже.

Источник

Программирование C в Linux — потоки pthreads

Многопоточность в программировании является важным механизмом в наше время. Поэтому я решил посвятить несколько статей этой теме.

В семействах ОС Windows — каждая программа запускает один процесс выполнения, в котором находится как минимум один поток (нить). В процессе может находиться множество потоков, между которыми делится процессорное время. Один процесс не может напрямую обратиться к памяти другого процесса, а потоки же разделяют одно адресное пространство одного процесса. То есть в Windows — процесс это совокупность потоков.

В Linux же немного по-другому. Сущность процесса такая же, как и в Windows — это исполняемая программа со своими данными. Но вот поток в Linux является отдельным процессом (можно встретить название как «легковесный процесс», LWP). Различие такое же — процесс отдельная программа со своей памятью, не может напрямую обратиться к памяти другого процесса, а вот поток, хоть и отдельный процесс, имеет доступ к памяти процесса-родителя [2]. LWP процессы создаются с помощью системного вызова clone() с указанием определенных флагов.

Но также имеется такая вещь, которая называется «POSIX Threads» — библиотечка стандарта POSIX, которая организует потоки (они же нити) внутри процесса. Т.е тут уже распараллеливание происходит в рамках одного процесса.

И тут встает вопрос различия терминов «поток», «процесс», «нить» и т.д. Проблема в том, что в англоязычной литературе данные термины определяются однозначно, у нас же с нашим великим и могучим имеются противоречия, что может привести к дикому диссонансу.

Но это все в общих чертах, для более точной информации следует обратиться к соответствующей литературе, либо к официальной документации, можно почитать man’ы. В конце статьи я приведу несколько полезных ссылок на ресурсы, где более подробно расписано как все работает, а пока займемся практикой.

Я рассмотрю два варианта «распараллеливания» программы — создания потока/нити с помощью функций из pthread.h (POSIX Threads), либо создание отдельного процесса с помощью функции fork().

Сегодня рассмотрим потоки из библиотеки pthread.

Шаблон кода для работы с потоками выглядит следующим образом:

Источник

Потоки линукс что это

Многопоточность является естественным продолжением многозадачности, точно также как виртуальные машины, позволяющие запускать несколько ОС на одном компьютере, представляют собой логическое развитие концепции разделения ресурсов. В рамках неформального, но простого, определения, поток — это выполнение последовательности машинных инструкций. В многопоточном приложении одновременно работает несколько потоков. Некоторые авторы избегают термина «поток» и используют вместо него термин «нить», вероятно для того, чтобы потоки программ не путались с потоками ввода-вывода. Для обозначения последовательного выполнения цепочки инструкций мне лично больше нравится термин «поток», которым я и буду пользоваться. Надеюсь, читатели Linux Format не запутаются в контекстах и, встретив слово поток, всегда поймут, идет ли речь о потоках программы, потоках ввода вывода, или о бурных паводковых потоках.

Прежде чем приступать к программированию потоков, следует ответить на вопрос, а нужны ли они вам. Мы уже знаем, насколько хорошо развиты в Linux средства межпроцессного взаимодействия. С помощью управления процессами в Linux можно решить многие задачи, которые в других ОС решаются только с помощью потоков. Потоки часто становятся источниками программных ошибок особого рода. Эти ошибки возникают при использовании потоками разделяемых ресурсов системы (например, общего адресного пространства) и являются частным случаем более широкого класса ошибок – ошибок синхронизации. Если задача разделена между независимыми процессами, то доступом к их общим ресурсам управляет операционная система, и вероятность ошибок из-за конфликтов доступа снижается. Впрочем, разделение задачи между несколькими независимыми процессами само по себе не защитит вас от других разновидностей ошибок синхронизации. В пользу потоков можно указать то, что накладные расходы на создание нового потока в многопоточном приложении ниже, чем накладные расходы на создание нового самостоятельного процесса. Уровень контроля над потоками в многопоточном приложении выше, чем уровень контроля приложения над дочерними процессами. Кроме того, многопоточные программы не склонны оставлять за собой вереницы зомби или «осиротевших» независимых процессов.

Первая подсистема потоков в Linux появилась около 1996 года и называлась, без лишних затей, – LinuxThreads. Рудимент этой подсистемы, который вы найдете в любой современной системе Linux, – файл /usr/include/pthread.h, указывает год релиза – 1996 и имя разработчика – Ксавье Лерой (Xavier Leroy). Библиотека LinuxThreads была попыткой организовать поддержку потоков в Linux в то время, когда ядро системы еще не предоставляло никаких специальных механизмов для работы с потоками. Позднее разработку потоков для Linux вели сразу две конкурирующие группы – NGPT и NPTL. В 2002 году группа NGPT фактически присоединилась к NPTL и теперь реализация потоков NPTL является стандартом Linux. Подсистема потоков Linux стремится соответствовать требованиям стандартов POSIX, так что новые многопоточные приложения Linux должны без проблем компилироваться на новых POSIX-совместимых системах.

Потоки и процессы

Интересно рассмотреть механизм, с помощью которого Linux решает проблему идентификаторов процессов потоков. В Linux у каждого процесса есть идентификатор. Есть он, естественно, и у процессов-потоков. С другой стороны, спецификация POSIX 1003.1c требует, чтобы все потоки многопоточного приложения имели один идентификатор. Вызвано это требование тем, что для многих функций системы многопоточное приложение должно представляться как один процесс с одним идентификатором. Проблема единого идентификатора решается в Linux весьма элегантно. Процессы многопоточного приложения группируются в группы потоков (thread groups). Группе присваивается идентификатор, соответствующий идентификатору первого процесса многопоточного приложения. Именно этот идентификатор группы потоков используется при «общении» с многопоточным приложением. Функция getpid(2), возвращает значение идентификатора группы потока, независимо от того, из какого потока она вызвана. Функции kill() waitpid() и им подобные по умолчанию также используют идентификаторы групп потоков, а не отдельных процессов. Вам вряд ли понадобится узнавать собственный идентификатор процесса-потока, но если вы захотите это сделать, вам придется воспользоваться довольно экзотичной конструкцией. Получить идентификатор потока (thread ID) можно с помощью функции gettid(2), однако саму функцию нужно еще определить с помощью макроса _syscall. Работа с функцией gettid() выглядит примерно так:

Более подробную информацию вы можете получить на страницах man, посвященных gettid() и _syscall. Потоки создаются функцией pthread_create(3), определенной в заголовочном файле

. Первый параметр этой функции представляет собой указатель на переменную типа pthread_t, которая служит идентификатором создаваемого потока. Второй параметр, указатель на переменную типа pthread_attr_t, используется для передачи атрибутов потока. Третьим параметром функции pthread_create() должен быть адрес функции потока. Эта функция играет для потока ту же роль, что функция main() – для главной программы. Четвертый параметр функции pthread_create() имеет тип void *. Этот параметр может использоваться для передачи значения, возвращаемого функцией потока. Вскоре после вызова pthread_create() функция потока будет запущена на выполнение параллельно с другими потоками программы. Таким образом, собственно, и создается новый поток. Я говорю, что новый поток запускается «вскоре» после вызова pthread_create() потому, что перед тем как запустить новую функцию потока, нужно выполнить некоторые подготовительные действия, а поток-родитель между тем продолжает выполняться. Непонимание этого факта может привести вас к ошибкам, которые трудно будет обнаружить. Если в ходе создания потока возникла ошибка, функция pthread_create() возвращает ненулевое значение, соответствующее номеру ошибки.

Функция потока должна иметь заголовок вида:

Имя функции, естественно, может быть любым. Аргумент arg, — это тот самый указатель, который передается в последнем параметре функции pthread_create(). Функция потока может вернуть значение, которое затем будет проанализировано заинтересованным потоком, но это не обязательно. Завершение функции потока происходит если:

1. функция потока вызвала функцию pthread_exit(3);
2. функция потока достигла точки выхода;
3. поток был досрочно завершен другим потоком.

Функция pthread_exit() представляет собой потоковый аналог функции _exit(). Аргумент функции pthread_exit(), значение типа void *, становится возвращаемым значением функции потока. Как (и кому?) функция потока может вернуть значение, если она не вызывается из программы явным образом? Для того, чтобы получить значение, возвращенное функцией потока, нужно воспользоваться функцией pthread_join(3). У этой функции два параметра. Первый параметр pthread_join(), – это идентификатор потока, второй параметр имеет тип «указатель на нетипизированный указатель». В этом параметре функция pthread_join() возвращает значение, возвращенное функцией потока. Конечно, в многопоточном приложении есть и более простые способы организовать передачу данных между потоками. Основная задача функции pthread_join() заключается, однако, в синхронизации потоков. Вызов функции pthread_join() приостанавливает выполнение вызвавшего ее потока до тех пор, пока поток, чей идентификатор передан функции в качестве аргумента, не завершит свою работу. Если в момент вызова pthread_join() ожидаемый поток уже завершился, функция вернет управление немедленно. Функцию pthread_join() можно рассматривать как эквивалент waitpid(2) для потоков. Эта функция позволяет вызвавшему ее потоку дождаться завершения работы другого потока. Попытка выполнить более одного вызова pthread_join() (из разных потоков) для одного и того же потока приведет к ошибке.

Посмотрим, как все это работает на практике. Ниже приводится фрагмент листинга программы threads, (полный текст программы вы найдете в исходниках программы в файле threads.c).

Рассмотрим сначала функцию thread_func(). Как вы, конечно, догадались, это и есть функция потока. Наша функция потока очень проста. В качестве аргумента ей передается указатель на переменную типа int, в которой содержится номер потока. Функция потока распечатывает этот номер несколько раз с интервалом в одну секунду и завершает свою работу. В функции main() вы видите две переменных типа pthread_t. Мы собираемся создать два потока и у каждого из них должен быть свой идентификатор. Вы также видите две переменные типа int, id1 и id2, которые используются для передачи функциям потоков их номеров. Сами потоки создаются с помощью функции pthread_create().В этом примере мы не модифицируем атрибуты потоков, поэтому во втором параметре в обоих случаях передаем NULL. Вызывая pthread_create() дважды, мы оба раза передаем в качестве третьего параметра адрес функции thread_func, в результате чего два созданных потока будут выполнять одну и ту же функцию. Функция, вызываемая из нескольких потоков одновременно, должна обладать свойством реентерабельности (этим же свойством должны обладать функции, допускающие рекурсию). Реентерабельная функция, это функция, которая может быть вызвана повторно, в то время, когда она уже вызвана (отсюда и происходит ее название). Реентерабельные функции используют локальные переменные (и локально выделенную память) в тех случаях, когда их не-реентерабельные аналоги могут воспользоваться глобальными переменными.

Мы вызываем последовательно две функции pthread_join() для того, чтобы дождаться завершения обоих потоков. Если мы хотим дождаться завершения всех потоков, порядок вызова функций pthread_join() для разных потоков, очевидно, не имеет значения.

Для того, чтобы скомпилировать программу threads.c, необходимо дать команду:

Команда компиляции включает макрос _REENTERANT. Этот макрос указывает, что вместо обычных функций стандартной библиотеки к программе должны быть подключены их реентерабельные аналоги. Реентерабельный вариант библиотеки glibc написан таким образом, что вы, скорее всего, вообще не обнаружите никаких различий в работе с реентерабельными функциями по сравнению с их обычными аналогами. Мы указываем компилятору путь для поиска заголовочных файлов и путь для поиска библиотек /usr/include/nptl и /usr/lib/nptl соответственно. Наконец, мы указываем компоновщику, что программа должна быть связана с библиотекой libpthread, которая содержит все специальные функции, необходимые для работы с потоками.

У вас, возможно, возникает вопрос, зачем мы использовали две разные переменные, id1 и id2, для передачи значений двум потокам? Почему нельзя использовать одну переменную, скажем id, для обоих потоков? Рассмотрим такой фрагмент кода:

Конечно, в этом случае оба потока получат указатель на одну и ту же переменную, но ведь значение этой переменной нужно каждому потоку только в самом начале его работы. После того, как поток присвоит это значение своей локальной переменной loc_id, ничто не мешает нам использовать ту же переменную id для другого потока. Все это верно, но проблема заключается в том, что мы не знаем, когда первый поток начнет свою работу. То, что функция pthread_create() вернула управление, не гарантирует нам, что поток уже выполняется. Вполне может случиться так, что первый поток будет запущен уже после того, как переменной id будет присвоено значение 2. Тогда оба потока получат одно и то же значение id. Впрочем, мы можем использовать одну и ту же переменную для передачи данных функциям потока, если воспользуемся средствами синхронизации. Этим средствам будет посвящена следующая статья.

Досрочное завершение потока

Чаще всего функция pthread_setcancelstate() используется для временного запрета завершения потока. Допустим, мы программируем поток, и знаем, что при определенных условиях программа может потребовать его досрочного завершения. Но в нашем потоке есть участок кода, во время выполнения которого завершать поток крайне нежелательно. Мы можем оградить этот участок кода от досрочного завершения с помощью пары вызовов pthread_setcancelstate():

Первый вызов pthread_setcancelstate() запрещает досрочное завершение потока, второй – разрешает. Если запрос на досрочное завершение потока поступит в тот момент, когда поток игнорирует эти запросы, выполнение запроса будет отложено до тех пор, пока функция pthread_setcancelstate() не будет вызвана с аргументом PTHREAD_CANCEL_ENABLE. Что именно произойдет дальше, зависит от более тонких настроек потока. Рассмотрим пример программы (на диске вы найдете ее в файле canceltest.c)

В самом начале функции потока thread_func() мы запрещаем досрочное завершение потока, затем выводим четыре тестовых сообщения с интервалом в одну секунду, после чего разрешаем досрочное завершение. Далее, с помощью функции pthread_testcancel(), мы создаем точку отмены (cancellation point) потока. Если досрочное завершение потока было затребовано, в этот момент поток должен завершиться. Затем мы выводим еще одно диагностическое сообщение, которое пользователь не должен видеть, если программа сработает правильно.

В главной функции программы мы создаем поток, затем дожидаемся, пока значение глобальной переменной i станет больше нуля (это гарантирует нам, что поток уже запретил досрочное завершение) и вызываем функцию pthread_cancel(). После этого мы переходим к ожиданию завершения потока с помощью pthread_join(). Если вы скомпилируете и запустите программу, то увидите, что поток распечатает четыре тестовых сообщения I’m still running! (после первого сообщения главная функция программы выдаст запрос на завершение потока).

Поскольку поток завершится досрочно, последнего тестового сообщения вы не увидите. Интересна роль функции pthread_testcancel(). Как уже отмечалось, эта функция создает точку отмены потока. Зачем нужны особые точки отмены? Дело в том, что даже если досрочное завершение разрешено, поток, получивший запрос на досрочное завершение, может завершить работу не сразу. Если поток находится в режиме отложенного досрочного завершения (именно этот режим установлен по умолчанию), он выполнит запрос на досрочное завершение, только достигнув одной из точек отмены. В соответствии со стандартом POSIX, точками отмены являются вызовы многих «обычных» функций, например open(), pause() и write(). Про функцию printf() в документации сказано, что она может быть точкой отмены, но в Linux при попытке остановиться на printf() происходит нечто странное – поток завершается, но pthread_join() не возвращает управления. Поэтому мы создаем явную точку отмены с помощью вызова pthread_testcancel().

Впрочем, мы можем выполнить досрочное завершение потока, не дожидаясь точек останова. Для этого необходимо перевести поток в режим немедленного завершения, что делается с помощью вызова pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS, NULL); В этом случае беспокоиться о точках останова уже не нужно. Вызов pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, NULL); снова переводит поток в режим отложенного досрочного завершения.

Тема потоков практически неисчерпаема (простите за каламбур), но мы посвятим потокам только лишь еще одну статью, в которой рассмотрим вопросы синхронизации и атрибуты потоков.

Источник

Вам также может понравиться

Windows или Linux: Что лучше выбрать?

Есть много причин выбирать между Windows и Linux, но

Файл владелец изменить linux

Команда Chown в Linux Chown Command in Linux (File

Установка шлюза по умолчанию linux

Настройка сети вручную Содержание Краткое описание

Чем разбить диск для linux

ИТ База знаний Курс по Asterisk Полезно — Узнать IP —