2.5.2. Потоки

Потоки (thread или тред) – императивные программы, которые выполняются одновременно и разделяют (совместно используют) адресное пространство. Одновременность выполнения опирается на механизм прерываний, имеющийся во всех микропроцессорах.

Большинство ОС обеспечивают высокоуровневый механизм противоположно прерываниям для императивных программ с разделяемой памятью. Механизм выступает в форме коллекции процедур, которые программист может использовать. Такие процедуры обычно соответствуют стандартизованным API (application program interface), которые дают возможность писать переносимые программы (работают на различных процессорах и ОС).

Таким API, например, является Pthreads (или POSIX threads), интегрированным во многие современные ОС. Pthreads определяют множество Си-типов, функций и констант. Они стандартизованы IEEE в 1988 для унификации вариантов ОС Unix. В Pthreads поток определяется Си-функцией и создается вызовом функции создания потока.

На рис. 75 показана простая многопоточная Си-программа, использующая Pthreads. printN (строки 3 – 9) – функция, которую поток начинает выполнять при старте, называют стартовой подпрограммой. Стартовая

10 int main(void) {

11 pthread_t threadID1, threadID2;

12 void* exitStatus;

13 int x1 = 1, x2 = 2;

14 pthread_create(&threadID1, NULL, printN, &x1);

15 pthread_create(&threadID2, NULL, printN, &x2);

16 printf("Started threads.\n");

17 pthread_join(threadID1, &exitStatus);

18 pthread_join(threadID2, &exitStatus);

19 return 0;

20 }

1 #include <pthread.h>

2 #include <stdio.h>

3 void* printN(void* arg) {

4 int i;

5 for (i = 0; i < 10; i++) {

6 printf("My ID: %d\n", *(int*)arg);

7 }

8 return NULL;

9 }

Рис. 75. Простая многопоточная Си-программа, использующая Pthreads

подпрограмма печатает передаваемый аргумент 10 раз и завершается. Функция main создает два потока (строки 14, 15), каждый из которых будет выполнять стартовую подпрограмму. Первый создаваемый поток будет печатать значение 1, а второй – 2 . Когда запускаются эта программы, значения 1 и 2 в некотором чередующемся порядке, зависящим от планировщика задач. Обычно повторное выполнение вызовет отличный чередующийся порядок 1 и 2.

Функция pthread_create создает поток и сразу завершается. Стартовая

подпрограмма может не начать выполняться перед выходом из pthread_create. Строки 17 и 18 используют функцию pthread_join для того чтобы главная программа main не завершилась перед завершением работы потоков. Без этих строк запущенная программа не сможет произвести требуемые результаты всеми потоками.

Во встроенных приложениях широко распространено объявление стартовой подпрограммы как бесконечного цикла, т.е из нее невозможно выйти. Например, стартовая подпрограмма может «вечно» выполняться, периодически выполняя вывод информации на дисплей. Если стартовая подпрограмма не возвращается, тогда некоторый другой поток, который вызывает

для нее pthread_join, будет навсегда заблокирован.

Как показано на рис.75 стартовая подпрограмма может иметь аргумент и возвращать значение. Четвертый аргумент pthread_create является адресом аргумента, который передается в стартовую подпрограмму. Важно понимать модель памяти Си, иначе возможны очень тонкие ошибки. Предположим, создается поток внутри следующей функции:

1 pthread_t createThread(int x) {

2 pthread_t ID;

3 pthread_create(&ID, NULL, printN, &x);

4 return ID;

5 }

Этот код является некорректным, так как аргумент стартовой подпрограммы задается указателем на переменную в стеке. Во время когда поток обращается к оговоренному адресу памяти, функция createThread с вероятностью может завершиться и адрес памяти может быть перезаписан кем-нибудь следующим, попавшим в эту область стека.