Программирование для Linux. Профессиональный подход - Марк Митчелл

Сказанное иллюстрирует программа thread-pid, показанная в листинге 4.15. Она отображает идентификатор главного потока с помощью функции getpid() и создает новый поток, в котором тоже выводится значение идентификатора, после чего оба потока входят в бесконечный цикл.

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg) {

 fprintf(stderr, "child thread pid is %dn", (int) getpid());

 /* Бесконечный цикл. */

 while (1);

 return NULL;

}

int main() {

 pthread_t thread;

 fprintf(stderr, "main thread pid is %dn", (int)getpid());

 pthread_create(&thread, NULL, &thread_function, NULL);

 /* Бесконечный цикл. */

 while (1);

 return 0;

}

Запустите программу в фоновом режиме, а затем вызовите команду ps x, чтобы увидеть список выполняющихся процессов. Не забудьте затем уничтожить программу thread-pid, так как она потребляет ресурсы процессора. Вот что мы получим:

% cc thread-pid.c -о thread-pid -lpthread

% ./thread-pid &

[1] 14608

main thread pid is 14608

child thread pid is 14610

% ps x

  PID TTY   STAT TIME COMMAND

14042 pts/9 S    0:00 bash

14068 pts/9 R    0:01 ./thread-pid

14069 pts/9 S    0:00 ./thread-pid

14610 pts/9 R    0:01 ./thread-pid

14611 pts/9 R    0:00 ps x

% kill 14608

[1]+ Terminated ./thread-pid

Строки, начинающиеся с записи [1], поступают от интерпретатора команд. Если программа запускается в фоновом режиме, интерпретатор назначает ей номер задания — в данном случае 1 — и сообщает ее идентификатор. Когда фоновое задание завершается, интерпретатор сообщает об этом при вызове первой же команды

Обратите внимание на то, что программе thread-pid соответствуют три процесса. Первый из них, с идентификатором 14608, — это основной поток программы. Третий, с идентификатором 14610, — это дочерний поток, выполняющий функцию thread_function(). Что же такое тогда второй поток, с идентификатором 14609? Это "управляющий поток", являющийся частью внутреннего механизма реализации потоков в Linux. Он создается, когда программа вызывает функцию pthread_create().

4.5.1. Обработка сигналов

Предположим, что многопотоковая программа принимает сигнал. В каком потоке будет вызван обработчик сигнала? Это зависит от версии UNIX. В Linux поведение программы объясняется тем. что потоки на самом деле реализуются в виде процессов.

Каждый поток в Linux является отдельным процессом, а сигнал доставляется конкретному процессу, поэтому никакой неоднозначности на самом деле нет. Обычно сигнал, поступающий от внешней программы, посылается процессу, управляющему главным потоком программы. Например, если программа с помощью функции fork() делится на два процесса и дочерний процесс запускает многопотоковую программу, в родительском процессе будет храниться идентификатор главного потока дочернего процесса, и этот идентификатор будет включаться во все сигналы, посылаемые от предка потомку. Этим правилом следует руководствоваться при написании многопотоковых программ для Linux.

Тем не менее подобная особенность реализации библиотеки Pthreads в Linux не согласуется со стандартом POSIX. Нельзя полагаться на нее в программах, рассчитанных на то, чтобы быть переносимыми.

В многопотоковой программе один поток может послать сигнал другому. Для этого предназначена функция pthread_kill(). Ее первым параметром является идентификатор потока, а второй параметр — это номер сигнала.

4.5.2. Системный вызов clone()

Все потоки, создаваемые в одной программе, являются отдельными процессами, которые делят общее адресное пространство и другие ресурсы. Но дочерний процесс, создаваемый с помощью функции fork(), получает в свое распоряжение копии ресурсов. Как же реализуются процессы первого типа?

В Linux имеется функция clone(), являющаяся обобщением функций fork() и pthread_create(). Она позволяет вызывающему процессу указывать, какие ресурсы он согласен делить с дочерним процессом. Необходимо также задать область памяти, в которой будет расположен стек выполнения нового процесса. Вообще говоря, мы упоминаем функцию clone() лишь для того, чтобы удовлетворить любопытство читателей. Использовать ее в программах не следует. Создавайте процессы с помощью функции fork(), а потоки — с помощью функции pthread_create().

4.6. Сравнение процессов и потоков

В некоторых программах, связанных с параллельным выполнением операций, сделать выбор в пользу процессов или потоков может оказаться достаточно сложно. Приведем рад правил, которые помогут читателям выбрать наилучшую модель для своих программ.

■ Все потоки программы должны выполнять один и тот же код. В то же время дочерний процесс может запустить другой исполняемый файл с помощью функции exec().

■ Неправильно работающий поток способен помешать другим потокам того же процесса, поскольку все они используют одни и те же ресурсы. Например, неверное обращение к указателю может привести к искажению области памяти, используемой другим потоком. Процесс лишен возможности это делать, так как у него своя копия памяти,

■ Копирование памяти, требуемой для дочернего процесса, приводит к снижению производительности процессов в сравнении с потоками. Но на самом деле операция копирования выполняется только тогда, когда содержимое памяти изменяется, поэтому снижение производительности оказывается минимальным, если дочерний процесс обращается к памяти только для чтения данных.

■ Потоки требуются программам, в которых необходима тонкая настройка параллельной работы. Потоки, например, хорошо подходят в том случае, когда задание можно разбить на ряд почти идентичных задач. Процессы в основном работают не зависимо друг от друга.

■ Совместное использование данных несколькими потоками — тривиальная задача, ведь потоки имеют общий доступ к ресурсам (необходимо, правда, внимательно следить за тем, чтобы не возникало состояние гонки). В случае процессов требуется задействовать особый механизм взаимодействия, описанный в главе 5, "Взаимодействие процессов". Это делает программы более громоздкими, зато уменьшает вероятность ошибок, связанных с параллельной работой.

Глава 5

Взаимодействие процессов

В главе 3, "Процессы", описывалась процедура создания процесса и рассказывалось о том, как родительский процесс может получить код завершения дочернего процесса. Это простейшая форма взаимодействия двух процессов, но не самая эффективная. Рассмотренные в главе 3 механизмы позволяли процессу-предку общаться с процессом-потомком только посредством аргументов командной строки и переменных среды, а все, что мог сделать для предка потомок, — вернуть свой код завершения. Такие механизмы не позволяют контролировать выполняющийся процесс или обращаться к внешнему, независимому процессу.

В этой главе будет показано, как обойти упомянутые ограничения путем организации взаимодействия процессов. Между собой могут общаться не только родительский и дочерний процессы, но также "неродственные" процессы и даже процессы, выполняющиеся на разных компьютерах.

Взаимодействие процессов — это механизм обмена данными между процессами. Взять, к примеру, ситуацию, когда броузер запрашивает Web-страницу у сервера, который в ответ высылает HTML-данные. Обычно при этом используются сокеты, работающие через телефонное соединение. Или другой пример: пользователь вводит команду ls | lpr, чтобы вывести на печать список файлов в каталоге. Интерпретатор команд создает два отдельных процесса — ls и lpr — и соединяет их каналом, который представлен символом '|'. Канал — это однонаправленный способ передачи данных от одного процесса к другому. Процесс ls записывает данные в канал, а процесс lpr читает данные из него.

В этой главе рассматриваются пять способов взаимодействия процессов.

■ Совместно используемая память — процессы могут просто читать и записывать данные в рамках заданной области памяти.

■ Отображаемая память — напоминает совместно используемую память, но организуется связь с файлами.

■ Каналы — позволяют последовательно передавать данные от одного процесса к другому.

■ FIFO-файлы — в отличие от каналов, с ними работают несвязанные процессы, поскольку у такого файла есть имя в файловой системе и к нему может обратиться любой процесс.