POSIX Threads/Wstęp

Podstawowe informacje o bibliotece

Specyfikacja POSIX jest dostępna nieodpłatnie na stronie organizacji Open Group (http://www.opengroup.org/). Dla wygody Czytelnika linkujemy w tym podręczniku do konkretnych podstron opisujących funkcje.

Opis części implementacji dla systemu Linux znajduje się na stronie The Linux man-pages project (http://www.kernel.org/doc/man-pages/).

Pliki nagłówkowe

Podstawowy plik nagłówkowy biblioteki POSIX Threads nazywa się pthread.h i jego włączenie do programu jest konieczne. Dokładny wykaz funkcji znajdujących się w tym pliku, wraz z adnotacjami opcji, znajduje się na stronie http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/basedefs/pthread.h.html.

Oprócz niego:

• sys/types.h - typy danych (domyślnie włączane przez pthread.h)
• limits.h - stałe określające ograniczenia biblioteki

Konwencje nazewnicze

Nazwy funkcji i typów zaczynają się zawsze od pthread_, stałe są pisane wielkimi literami i podobnie rozpoczynają od PTHREAD_. Nazewnictwo poza tym jest bardzo konsekwentne, podobnie kolejność argumentów itd.

Typy danych

Typy definiowane przez bibliotekę powinny być traktowane jako abstrakcyjne - jedynym sposobem ich inicjalizacji, zmiany wartości, itd. jest użycie dedykowanych funkcji.

Nazwy funkcji tworzących obiekty są zgodne ze schematem pthread_XXX_init, natomiast niszczące obiekt pthread_XXX_destroy.

Atrybuty

Wszelkie dodatkowe parametry obiektów tworzonych w bibliotece są opisywane atrybutami, tj. innymi obiektami, które przechowują określone parametry. Obiekty atrybutów mogą być używane wielokrotnie do tworzenia różnych obiektów.

Zgłaszanie błędów

Większość funkcji z pthreads zwraca wartości typu int, która określa status operacji. Jeśli jest równy zero, funkcja wykonała się poprawnie, w przeciwnym razie zwracana jest standardowa wartość błędu (w rodzaju EINVAL, ENOMEM, EBUSY).

Można więc używać funkcji strerror  (doc), ewentualnie przypisywać wynik do zmiennej errno i korzystać z funkcji perror  (doc). Standard POSIX określa, że errno w środowisku wielowątkowym jest lokalne względem wątku.

Na przykład:

#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() {
	int status;

	status = pthread_XXX(...);
	if (status)
		printf("Błąd przy wywoływaniu pthread_XXX: %s", strerror(status));

	errno = pthread_XXX(...);
	if (errno)
		perror("pthread_XXX");

	return 0;
}

Dane użytkownika

Wszystkie dane użytkownika są przekazywane przez wskaźniki typu void*. O interpretacji wskaźników i danych na które wskazują decyduje wyłącznie programista, biblioteka pthreads nie określa ani nie ogranicza tego w żaden sposób.

Kompilacja

Ponieważ pthreads jest zewnętrzną biblioteką należy linkerowi podać ścieżkę do pliku bibliotecznego. Np. przy kompilacji gcc należy dodać opcję -lpthread.

Opcje standardu

Implementacja biblioteki pthreads nie musi dostarczać wszystkich funkcji opisanych w standardzie, dopuszcza on szereg opcjonalnych rozszerzeń. W tym podręczniku posługujemy się skrótami używanymi na stronach Open Group:

• rozszerzenia (XSI)
  • zmiana/odczyt rozmiaru zabezpieczającego stosu
  • wybór typu mutexu
  • zmiana/odczyt stopnia współbieżności
• bariery (BAR)
• wirujące blokady (SPI)
• zmiana priorytetu wątku posiadającego blokadę (TPP - Thread Priority Protection, TPI - Thread Priority Inheritance)
• szeregowanie wątków (TPS - Thread Execution Scheduling)
• synchronizacja między wątkami różnych procesów (TSH - Thread Process-Shared Synchronization)
• dodatkowy algorytm szeregowania dla zadań aperiodycznych w systemach czasu rzeczywistego (TPS - Thread Sporadic Server)
• Rozmiar i adres stosu (TSS - Thread Stack Size Attribute)
• Rozmiar i adres stosu (TSA - Thread Stack Address Attribute)
• możliwość wyboru zegara odmierzającego czas przy oczekiwaniu na zmienną warunkową; domyślnie używany jest zegar systemowy (CS - Clock Selection)
• czas procesora zużyty przez wątek (TCT - Thread CPU-Time Clocks)
• możliwość ograniczonego czasowo oczekiwania na uzyskanie blokad (mutexy) oraz blokad do odczytu/zapisu (TMO - Timeouts)

C++

Użycie biblioteki pthreads w programach pisanych w języku C++ jest oczywiście możliwe. Należy jedynie w procedurach wykonywanych w wątkach (patrz Tworzenie wątku) obsługiwać wszystkie wyjątki:

void* wątek(void* arg) {
	try {
		// ...
		// treść wątku
		// ...
	}
	catch (wyjątek1) {
		// obsługa wyjątku 1
	}
	catch (wyjątek2) {
		// obsługa wyjątku 2
	}
	catch (...) {
		// wszystkie pozostałe wyjątki
	}
}

Uwaga! Przerywanie wątków w implementacji NPTL jest realizowane poprzez zgłoszenie wyjątku - jeśli w wątku zostanie użyte catch (...), wówczas program zakończy się komunikatem FATAL: exception not rethrown. Urlich Drepper wyjaśnia na swoim blogu, jak obejść ten problem.

O podręczniku

Przykłady

Przykładowe programy mają jedynie na celu zilustrowanie pewnych cech biblioteki. Jednocześnie są to w pełni funkcjonalne programy - każdy może je skopiować do swojego komputera, skompilować i uruchomić. Mają być ułatwieniem dla własnych eksperymentów lub testów.

Autorzy

• Wojciech Muła