Основы программирования в Linux

Мэтью Нейл

Идея потоков была популярна какое-то время, но пока Комитет IEEE POSIX не опубликовал некоторые стандарты, потоки не были широко распространены в UNIX-подобных операционных системах и существовавшие реализации разных поставщиков сильно отличались друг от друга. С появлением стандарта POSIX 1003.1c все изменилось; потоки теперь не только лучше стандартизованы, но также реализованы в большинстве дистрибутивов Linux. В наше время многоядерные процессоры стали обычными даже в настольных компьютерах, так что у большинства машин есть низкоуровневая аппаратная поддержка, позволяющая им выполнять несколько потоков одновременно. Раньше при наличии одноядерных ЦПУ

одновременное исполнение потоков было лишь изобретательной, хотя и очень эффективной иллюзией.

Впервые ОС Linux обзавелась поддержкой потоков около 1996 г. благодаря появлению библиотеки, которую часто называют "LinuxThreads" (потоки Linux). Она почти соответствует стандарту POSIX (на самом деле в большинстве случаев отличия не заметны) и стала важным шагом на пути первого применения потоков программистами Linux. Но между реализацией потоков в Linux и стандартом POSIX есть слабые расхождения, в основном касающиеся обработки сигналов. Ограничения накладываются не столько реализацией библиотеки, сколько низкоуровневой поддержкой ядра Linux.

Разные проекты рассматривали возможности улучшения поддержки потоков в Linux, касающиеся не только устранения слабых расхождений со стандартом POSIX, но и повышения производительности и удаления любых ненужных ограничений. Основная работа была направлена на поиск способов отображения потоков пользовательского уровня на потоки уровня ядра системы. Двумя главными проектами были New Generation POSIX Threads (NGPT, потоки POSIX нового поколения) и Native POSIX Thread Library (NPTL, библиотека истинных потоков POSIX). Оба проекта должны были внести изменения в ядро Linux, обеспечивающие поддержку новых библиотек, и оба предлагали существенное повышение производительности по сравнению с прежней реализацией потоков в Linux.

В 2002 г. команда NGPT объявила, что не хочет разделять сообщество и приостанавливает разработку новых средств для проекта NGPT, но продолжит работу по улучшению поддержки потоков в ОС Linux, присоединив свои усилия к стараниям NPTL. Библиотека NPTL стала новым стандартом для потоков в Linux, выпустив первую основную версию в дистрибутиве Red Hat Linux 9. Вы можете найти интересную основополагающую информацию о NPTL в статье "The Native POSIX Thread Library for Linux" ("Библиотека истинных потоков POSIX для Linux") Ульриха Дреппера (Ulrich Drepper) и Инго Мольнара (Ingo Molnar), которая во время написания книги была доступна в Интернете по адресу http://people.redhat.com/drepper/nptl-design.pdf.

Большая часть программного кода из этой главы будет работать с любой библиотекой потоков, поскольку основана на стандарте POSIX, общем для всех библиотек потоков. Но вы сможете заметить небольшие отличия, если пользуетесь старой версией дистрибутива Linux, особенно когда примените команду

ps

для просмотра примеров во время их выполнения.

Достоинства и недостатки потоков

В определенных обстоятельствах создание нового потока обладает явно выраженными преимуществами по сравнению с созданием нового процесса. Накладные расходы при создании нового потока существенно меньше, чем при создании нового процесса (несмотря на то, что создание новых процессов в Linux очень эффективно по сравнению с другими операционными системами).

Далее перечислены некоторые достоинства потоков.

 Иногда очень полезно создать программу, которая выполняет два дела одновременно. Классический пример — подсчет в режиме

реального времени слов в документе в ходе редактирования текста. Один поток может управлять пользовательским вводом и выполнять редактирование. Другой, способный видеть то же содержимое документа, может непрерывно обновлять переменную-счетчик количества слов. Первый поток (или даже третий) может использовать эту переменную для информирования пользователя. Другой пример — многопоточный сервер базы данных, в котором единый наблюдаемый процесс обслуживает множество клиентов, улучшая общую пропускную способность за счет обслуживания одних запросов и одновременной блокировки других, ожидающих готовности диска. Серверу базы данных реализовать эту скрытую многозадачность в разных процессах очень трудно, т.к. требования блокировки и непротиворечивости данных приводят к тесной связи двух этих процессов. С помощью множественных потоков воплотить в жизнь этот алгоритм гораздо легче.

 Производительность приложения, в котором смешаны ввод, вычисления и вывод, можно повысить, запустив эти операции как три отдельных потока. Пока поток ввода или вывода ждет подсоединения, один из оставшихся потоков может продолжить вычисления. Серверное приложение, обрабатывающее многочисленные сетевые подключения, также может подойти для организации программы с множественными потоками.

 Сейчас, когда многоядерные ЦПУ обычны в настольных и портативных компьютерах, применение множественных потоков внутри процесса может при наличии подходящего приложения позволить одному процессу лучше использовать доступные аппаратные ресурсы.

 Вообще переключение между потоками требует от операционной системы гораздо меньше усилий, чем переключение между процессами. Таким образом, множественные потоки гораздо менее требовательны к ресурсам, чем множественные процессы, и с ними гораздо практичнее выполнять в однопроцессорных системах программы, логика которых требует применения нескольких потоков исполнения. Считается, что трудности разработки при написании многопоточной программы весьма значительны, и это утверждение нельзя не принимать всерьез.

У потоков есть и недостатки.

 Создание многопоточной программы требует очень тщательной разработки. Вероятность появления незначительных временных сбоев или ошибок, вызванных нечаянным совместным использованием переменных, в такой программе весьма значительна. Алан Кокс (Alan Сох, всеми уважаемый гуру Linux) сказал, что потоки равнозначны умению "выстрелить в обе собственные ноги одновременно".

 Отладка многопоточной программы гораздо труднее, чем отладка одного потока исполнения, поскольку взаимосвязи потоков очень трудно контролировать.

 Программа, в которой громоздкие вычисления разделены на две части, и эти две части выполняются как отдельные потоки, необязательно будет работать быстрее на машине с одним процессором, если только вычисление не позволяет выполнять обе ее части одновременно и у машины, на которой выполняется программа, нет многоядерного процессора для поддержки истинной многопоточности.

Первая программа с применением потоков

Существует целый ряд библиотечных вызовов, связанных с потоками, большинство имен которых начинается с префикса pthread. Для применения этих библиотечных вызовов вы должны определить макрос

_REENTRANT

, включить файл pthread.h и скомпоновать программу с библиотекой потоков, используя опцию

– lpthread

.