Wikibooks

POSIX Threads/Podstawowe operacje

< POSIX Threads

Tworzenie wątku

edytuj

W programie korzystającym z biblioteki pthreads, tuż po uruchomieniu działa dokładnie jeden wątek, wykonujący funkcję main.

Aby utworzyć nowe wątki programista podaje funkcję (dokładniej: adres funkcji), która ma zostać w nim wykonana - pthread_create tworzy i od razu uruchamia wątek, oraz zwraca jego identyfikator. Oczywiście jedna funkcja może być wykorzystywana do utworzenia wielu wątków. Funkcja użytkownika przyjmuje i zwraca wartość typu void*, interpretacja tych danych jest zależna od programu, pthreads nie narzuca więc tutaj żadnych ograniczeń. Wątki mogą być tworzone z poziomu dowolnego innego wątku.

Wątek identyfikuje wartość pthread_t, która jest argumentem dla większości funkcji bibliotecznych.

Liczba wątków, jakie można utworzyć jest ograniczona przez stałą PTHREAD_THREADS_MAX (z pliku limits.h) oraz rzecz jasna przez zasoby systemowe.

 
 W Cygwinie PTHREAD_THREADS_MAX nie jest zdefiniowane, ponieważ system MS Windows pozwala utworzyć dowolną liczbę wątków

Typy

edytuj
  • pthread_t
identyfikator wątku
  • pthread_attr_t
atrybuty wątku

Funkcje

edytuj
  • int pthread_create(pthread_t *id, const pthread_attr_t *attr, void* (*fun)(void*), void* arg)  (doc)
    • id - identyfikator wątku;
    • attr - wskaźnik na atrybuty wątku, określające szczegóły dotyczące wątku; można podać NULL, wówczas zostaną użyte domyślne wartości;
    • fun - funkcja wykonywana w wątku; przyjmuje argument typu void* i zwraca wartość tego samego typu;
    • arg - przekazywany do funkcji.

Przykład

edytuj

Poniższy program typu hello world tworzy (w wątku głównym) kilka innych wątków, wykonujących funkcję watek i czeka na ich zakończenie. Używane są domyślne atrybuty wątku. 

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define test_errno(msg) do{if (errno) {perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}} while(0)

/* prosta funkcja wykonywana w wątku */
void* watek(void* _arg) {
	puts("Witaj w równoległym świecie!");
	return NULL;
}
//------------------------------------------------------------------------

#define N 5	/* liczba wątków */

int main() {
	pthread_t id[N];
	int i;

	/* utworzenie kilku wątków wątku */
	for (i=0; i < N; i++) {
		errno = pthread_create(&id[i], NULL, watek, NULL);
		test_errno("Nie powiodło się pthread_create");
	}

	/* oczekiwanie na zakończenie wszystkich wątków */
	for (i=0; i < N; i++) {
		errno = pthread_join(id[i], NULL);
		test_errno("pthread_join");
	}

	return EXIT_SUCCESS;
}
//------------------------------------------------------------------------

Identyfikator wątku

edytuj

Wewnętrzna struktura typu pthread_t (podobnie jak innych używanych w pthreads) jest określona przez implementację. Jedyną operacją, jaką można wykonać na identyfikatorach jest ich porównanie ze względu na równość funkcją pthread_equal.

Funkcja pthread_self zwraca identyfikator wywołującego wątku, co czasem jest przydatne.

Funkcje

edytuj
  • int pthread_equal(pthread_t id1, pthread_t id2)  (doc)
stwierdzenie, czy identyfikatory wątków są równe
  • pthread_t pthread_self()  (doc)
zwraca identyfikator wywołującego wątku

Kończenie wątku

edytuj

Wątek jest kończony w chwili, gdy funkcja użytkownika przekazana w pthread_create zwraca sterowanie do wywołującego ją kodu, a więc w miejscu wystąpienia instrukcji return.

Ponadto istnieje funkcja pthread_exit, która powoduje zakończenie wątku - może zostać użyta w funkcjach wywoływanych z funkcji wątku.

Przykład

edytuj

W przykładowym programie zakończenie wątku powoduje wywołanie pthread_exit na 6. poziomie zagnieżdżenia funkcji koniec_watku. 

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define test_errno(msg) do{if (errno) {perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}} while(0)


void koniec_watku(int licznik, int limit) {
	int i;
	for (i=0; i < licznik; i++) putchar(' ');
	printf("licznik = %d, limit = %d\n", licznik, limit);

	if (licznik == limit)
		/* zakończenie wątku w którego kontekście wykonywana jest ta funkcja */
		pthread_exit(NULL);
	else
		koniec_watku(licznik+1, limit);
}
//------------------------------------------------------------------------

void* watek(void* arg) {
	koniec_watku(0, 5);
	return NULL;
}
//------------------------------------------------------------------------

int main() {
	pthread_t id;

	/* utworzenie wątku */
	errno = pthread_create(&id, NULL, watek, NULL);
	test_errno("pthread_create");

	/* oczekiwanie na jego zakończenie */
	errno = pthread_join(id, NULL);
	test_errno("pthread_join");

	return EXIT_SUCCESS;
}
//------------------------------------------------------------------------

Wyjście: 

$ ./przyklad
licznik = 0, limit = 5
 licznik = 1, limit = 5
  licznik = 2, limit = 5
   licznik = 3, limit = 5
    licznik = 4, limit = 5
     licznik = 5, limit = 5

Oczekiwanie na zakończenie wątku

edytuj

Oczekiwanie na zakończenie wątku jest dodatkowym sposobem synchronizacji między wątkami i dotyczy wyłącznie wątków typu joinable (zobacz Rodzaje wątków poniżej). Wątek wywołujący pthread_join zostaje wstrzymany do chwili, gdy wskazany wątek zakończy działanie - wówczas wątek oczekujący jest kontynuowany, a pthread_join przekazuje wartość wynikową zwróconą przez wątek. Jeśli wątek został przerwany wartością zwracaną jest stała PTHREAD_CANCELED.

Uwaga!
Jeśli wątek "zapętli się", oczekujący na jego zakończenie inny wątek nie jest już w stanie nic zrobić.

Oczekiwanie na zakończenie wątku można uzyskać zmiennymi warunkowymi (dodatkowo bez ograniczań na rodzaj wątku), wymaga to jednak dodatkowej pracy ze strony programisty.

Funkcje

edytuj
  • int pthread_join(pthread_t id, void **retval)  (doc)
    • id - identyfikator wątku, którego zakończenie jest oczekiwane;
    • retval - wskaźnik na wartość wynikową wątku; może być NULL, wówczas wynik jest ignorowany

Zakończenie procesu, a kończenie wątków

edytuj

Kiedy kończy się proces, wszystkie wątki utworzone w jego obrębie są również (gwałtownie) kończone. Dlatego koniecznie trzeba użyć albo wbudowanego mechanizmu synchronizacji, albo jakiegoś własnego rozwiązania.

Rodzaje wątków

edytuj

W pthreads wątki są dwojakiego rodzaju:

  • joinable (domyślny rodzaj)
  • detached

Rodzaj jest ustalany w atrybutach wątku. Można jednak po utworzeniu wątku zmienić typ z joinable na detached funkcją pthread_detach; odwrotne działanie nie jest możliwe.

Wątek typu joinable to taki, z którego można odczytać wartość wynikową zwróconą przez funkcję. Gdy wątek tego typu kończy się, jego zasoby nie są zwalniane do chwili wywołania funkcji pthread_join (patrz Oczekiwanie na zakończenie wątku).

Warto więc zwrócić uwagę, że utworzenie wątku typu joinable i nie wywołanie wspomnianej funkcji skutkować będzie wyciekiem pamięci (następstwem którego tworzenie nowych wątków może stać się niemożliwe).

Wątek typu detached z chwilą zakończenia działania od razu zwalnia wszystkie zasoby; funkcja pthread_join nie akceptuje identyfikatorów do wątków tego typu.

Funkcje

edytuj
  • int pthread_detach(pthread_t id)  (doc)
zmiana rodzaju wątku

Przekazywanie argumentów i zwracanie wyników

edytuj

Przekazywanie argumentów

edytuj

Funkcja wykonywana w wątku przejmuje argument typu void* podawany w funkcji pthread_create - wskaźnik ten może więc wskazywać dowolną strukturę, może być także pusty.

Uwaga!
Ponieważ przekazywane są wskaźniki, dla każdego wątku trzeba przypisać osobny obiekt argumentów

Można również rzutować bezpośrednio typy, których rozmiar nie przekracza rozmiaru wskaźnik, tzn. gdy sizeof(typ) <= sizeof(void*); mogą to być typy int, short, char, być może też inne - zależnie od platformy sprzętowej i kompilatora.

Zwracanie wyniku

edytuj

Funkcja użytkownika zwraca wskaźnik na void*. Jeśli potrzeba zwrócić jakieś dane, należy je zaalokować na stercie funkcją malloc lub podobną.

Uwaga!
Zwracanie wskaźników do obiektów lokalnych (utworzonych na stosie) jest błędem - nie tylko w programach wielowątkowych!

Można również rzutować na void*, tak samo jak w przypadku przekazywania argumentów.

Przykład

edytuj 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define test_errno(msg) do{if (errno) {perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}} while(0)

typedef struct _Arg {	// struktura argumentów dla wątku 1.
	char	napis[256];
	int	rok;
	int	mies;
	int	dzien;
} Argument;

void* watek1(void* _arg) {
	Argument* arg = (Argument*)_arg;

	printf("Witaj %s w dniu %04d-%02d-%02d\n",
		arg->napis,
		arg->rok,
		arg->mies,
		arg->dzien
	);

	return NULL;
}
//------------------------------------------------------------------------

/* wątek 2. zwraca pewien dynamicznie tworzony napis */
void* watek2(void* liczba) {
	char* napis;
	int i;
	printf("Wątek 2 wywołany z argumentem liczbowym %d\n", (int)liczba);

	napis = malloc((int)liczba + 1);
	if (napis) {
		for (i=0; i < (int)liczba; i++)
			napis[i] = 'x';

		napis[(int)liczba] = 0;
	}
	return napis;
}
//------------------------------------------------------------------------

int main() {
	pthread_t w1, w2;
	Argument arg;
	char* wynik;

	/* przygotowanie argumentów */
	strcpy(arg.napis, "Wikibooks");
	arg.rok   = 2010;
	arg.mies  = 3;
	arg.dzien = 14;

	/* utworzenie dwóch wątków */
	errno = pthread_create(&w1, NULL, watek1, &arg);
	test_errno("pthread_create");

	errno = pthread_create(&w2, NULL, watek2, (void*)27);
	test_errno("pthread_create");

	/* oczekiwanie na zakończenie obu */
	errno = pthread_join(w1, NULL);
	test_errno("pthread_join");

	errno = pthread_join(w2, (void**)&wynik);
	test_errno("pthread_join");

	if (wynik) {
		printf("wątek 2 zwrócił napis: '%s'\n", wynik);
		free(wynik);
	}
	else
		puts("wątek 2 nic nie zwrócił");

	return EXIT_SUCCESS;
}
//------------------------------------------------------------------------

Wyjście: 

$ ./przyklad
Witaj Wikibooks w dniu 2010-03-14
Wątek 2 wywołany z argumentem liczbowym 27
wątek 2 zwrócił napis: 'xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx'
Źródło: „https://pl.wikibooks.org/w/index.php?title=POSIX_Threads/Podstawowe_operacje&oldid=485481”