Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма
Особая область, в которой собственные данные потока могут найти применение и где локальные (стековые) переменные потока не могут быть использованы, — это асинхронное выполнение фрагмента кода в контексте потока, например при получении потоком сигнала.
Еще одно совсем не очевидное применение собственных данных потока (мы не встречали в литературе упоминаний о нем), которое особо органично вписывается в использование именно С++, — это еще один способ возврата в родительский поток результатов работы дочерних. При этом неважно, как были определены дочерние потоки - как присоединенные или как отсоединенные (мы обсуждали это ранее); такое использование в заметной мере нивелирует их разницу. Эта техника состоит в том, что:
• Если при создании ключа не определять деструктор экземпляра данных потока pthread_key_create(..., NULL), то при завершении потока над экземпляром его данных не будут выполняться никакие деструктивные действия и созданные потоками экземпляры данных будут существовать и после завершения потоков.
• Если к этим экземплярам данных созданы альтернативные пути доступа (а они должны быть в любом случае созданы, так как области этих данных в конечном итоге нужно освободить), то благодаря этому доступу порождающий потоки код может использовать данные, «оставшиеся» как результат выполнения потоков.
В коде (что гораздо нагляднее) это может выглядеть так (код с заметными упрощениями взят из реального завершенного проекта):
// описание экземпляра данных потока
struct throwndata {
...
};
static pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT;
static pthread_key_t key;
void createkey(void) { pthread_key_create(&key, NULL); }
// STL-очередь, например указателей на экземпляры данных
queue<throwndata*> result;
// функция потока
void* GetBlock(void*) {
pthread_once(&once, createkey);
throwndata *td;
if ((td = (throwndata*)pthread_getspecific(key)) == NULL) {
td = new throwndata();
pthread_setspecific(key, (void*)td);
// вот он - альтернативный путь доступа:
result.push(td);
}
// далее идет плодотворная работа над блоком данных *td
// . . . . . . . . .
}
int main(int argc, char **argv) {
// . . . . . .
for (int i = 0; i < N; i++)
pthread_create(NULL, NULL, GetBlock, NULL);
// . . . . . . к этому времени потоки завершились;
// ни в коем случае нельзя помещать result.size()
// непосредственно в параметр цикла!
int n = result.size();
for (int i = 0; i < n; i++) {
throwndata *d = result.front();
// обработка очередного блока *d ...
result pop();
delete d;
}
return EXIT_SUCCESS;
}
ПримечаниеВ предыдущих примерах кода мы указывали третий параметр pthread_create() в виде &GetBlock (адреса функции потока), но в текущем примере мы сознательно записали GetBlock. И то и другое верно, ибо компилятор достаточно умен, чтобы при указании имени функции взять ее адрес.
Собственные данные потоков — это настолько гибкий механизм, что он может таить в себе и другие, еще не используемые техники применения.
Безопасность вызовов в потоковой среде
Рассмотрев «в первом приближении» технику собственных данных потоков, мы теперь готовы ответить на вопрос: «В чем же главное предназначение такой в общем-то достаточно громоздкой техники? И зачем для ее введения потребовалось специально расширять стандарты POSIX?» Самое прямое ее предназначение, помимо других «попутных» применений, которые были обсуждены ранее, — это общий механизм превращения существующей функции для однопотокового исполнения в функцию, безопасную (thread safe) в многопоточном окружении. Этот механизм предлагает единую (в смысле «единообразную», а не «единственно возможную») технологию для разработчиков библиотечных модулей.
ПримечаниеОС QNX, заимствующая инструментарий GNU-технологии (gcc, make, …), предусматривает возможность построения как статически связываемых библиотек (имена файлов вида xxx.a), так и разделяемых или динамически связываемых (имена файлов вида xxx.so). Целесообразность последних при построении автономных и встраиваемых систем (на что главным образом и нацелена ОС QNX) достаточно сомнительна. Однако высказанное выше положение о построении реентерабельных программных единиц относится не только к библиотечным модулям (как статическим, так и динамическим) в традиционном понимании термина «библиотека», но и охватывает куда более широкий спектр возможных объектов и в той же мере относится и просто к любым наборам утилитных объектных модулей (вида xxx.о), разрабатываемых в ходе реализации под целевой программный проект.
Если мы обратимся к технической документации API QNX (аналогичная картина будет и в API любого UNIX), то заметим, что только небольшая часть функций отмечена как thread safe. К «небезопасным» отнесены такие общеизвестные вызовы, как select(), rand() и readln(), а многим «небезопасным» в потоковой среде вызовам сопутствуют их безопасные дубликаты с суффиксом *_r в написании имени функции, например MsgSend() — MsgSend_r().
В чем же состоит небезопасность в потоковой среде? В нереентерабельности функций, подготовленных для выполнения в однопоточной среде, в первую очередь связанной с потребностью в статических данных, хранящих значение от одного вызова к другому. Рассмотрим классическую функцию rand(), традиционно реализуемую в самых разнообразных ОС примерно так (при «удачном» выборе констант А, В, С):
int rand(void) {
static int x = rand_init();
return x = (A*x + B)%C;
}
Такая реализация, совершенно корректная в последовательной (однопотоковой) модели, становится небезопасной в многопоточной: а) вычисление x может быть прервано событием диспетчеризации, и не исключено, что вновь получивший управление поток в свою очередь обратится к rand() и исказит ход текущего вычисления; б) каждый поток «хотел бы» иметь свою автономную последовательность вычислений x, не зависящую от поведения параллельных потоков. Желаемый результат будет достигнут, если каждый поток будет иметь свой автономный экземпляр переменной x, что может быть получено двумя путями:
1. Изменить прототип объявления функции:
int rand_r(int *x) {
return x = (А * (*x) + В) % С;
};
При этом проблема «клонирования» переменной x в каждом из потоков (да и начальной ее инициализации) не снимается, она только переносится на плечи пользователя, что, однако, достаточно просто решается при создании потоковой функции за счет ее стека локальных переменных:
void* thrfunc(void*) {
int x = rand_init();
... = rand_r(&x);
};
Именно такова форма и многопоточного эквивалента в API QNX — rand_r().
2. В этом варианте мы сохраняем прототип описания функции без изменений за счет использования различных экземпляров собственных данных потока. (Весь приведенный ниже код размещен в отдельной единице компиляции; все имена, за исключением rand(), невидимы и недоступны из точки вызова, что подчеркнуто явным использованием квалификатора static.)
static pthread_key_t key;
static pthread_once_t once = PTHREAD_ONCE_INIT;
static void destr(void* db) { delete x; }
static void once_creator(void) { pthread_key_create(&key, destr); }
int rand(void) {
pthread_once(&once, once_creator);
int *x = pthread_getspecific(key);
if (x == NULL) {
pthread_setspecific(key, x = new int);
*x = rand_init();
}
return x = (A * (*x) + B) % C;
}
В этом варианте, в отличие от предыдущего, весь код вызывающего фрагмента при переходе к многопоточной реализации остается текстуально неизменным:
void* thrfunc(void*) {
// ...
while (true) {
... = rand(x);
}
}
Перевод всего программного проекта на использование потоковой среды состоит в замене объектной единицы (объектного файла, библиотеки), содержащей реализацию rand(), и новой сборке приложения с этой объектной единицей.
При таком способе изменяются под потоковую безопасность и стандартные общеизвестные библиотечные функции API, написанные в своем первозданном виде 25 лет назад… (по крайней мере, так предлагает это делать стандарт POSIX, вводящий в обиход собственные данные потоков).
Диспетчеризация потоков
Каждому потоку, участвующему в процессе диспетчеризации, соответствует экземпляр структуры, определенной в файле <sys/target_nto.h>, в котором находятся все фундаментальные для ОС QNX определения:
