QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Однако очень часто эти две парадигмы, традиционная и потоковая, не сочетаются в рамках единого кода из-за небезопасности (not thread safe) традиционных механизмов UNIX ( fork, select и др.) в многопоточной среде. Тогда приходится использовать либо одну, либо другую парадигму как альтернативы, не смешивая их между собой. Или смешивать, но с большой осторожностью и с хорошим пониманием того, что при этом может произойти в каждом случае.

Поток можно понимать как любой автономный последовательный (линейный) набор команд процессора. Источником этого линейного кода для потока могут служить:

• бинарный исполняемый файл, на основе которого системой или вызовом группы spawn запускается новый процесс и создается его главныйпоток;

• дубликат кода главного потока [15] процесса родителя при клонировании процессов вызовом fork(тоже относительно главного потока);

• участок кода, оформленный функцией специального типа ( void*(void*)); это общий случай при создании второго и всех последующих потоков процесса (при создании многопоточных процессов) вызовом pthread_create. Такую функцию мы будем называть функцией потока. Это наиболее интересный для нас случай.

15

Клонирование многопоточных процессов с помощью fork— это отдельная песня. Хотя POSIX и предусматривает реализацию ( pthread_atfork) такой возможности, до конца не ясно, как это работает. API QNX предоставляет эту возможность, но предупреждает, что пользователь сам отвечает за последствия. Детали механизма pthread_atfork см. в справочном руководстве QNX.

В первых двух вариантах мы имеем неявное создание (главного) потока и, как следствие, порождение нового процесса. В последнем случае - явное создание потока, которое в литературе, собственно, и именуется «созданием потока». Хотя сущность происходящего относительно исполняющегося потока во всех случаях все же остается неизменной.

Кроме последовательности команд к потоку нужно отнести и те локальные данные, с которыми работает функция потока, то есть собственный стек потока. Во время приостановки системой выполнения (диспетчеризации) кода текущего потока должна обеспечиваться возможность сохранения текущих значений регистров (включая регистры FPU, сегментные регистры) и, возможно, другой специфической информации. Текущее значение этого набора данных, относящихся к выполнению текущего потока, называется контекстом потока. Контекст потока, кроме того, обеспечивает связь потока с его экземпляром собственных данных, о чем мы детально поговорим чуть позже. Детальная структура и объем данных, составляющих контекст потока, определяются не только самой ОС, но и типом процессорной архитектуры, на которой она выполняется (для многоплатформенных ОС, к которым принадлежит и QNX).

В принципе считается, что время переключения контекстов потоков в пределах одного процесса и время переключения контекстов процессов могут заметно отличаться, особенно для платформ с управлением виртуальной памятью. [16] Однако удобства реализации и стремление к однородности могут перевесить соблазн разработчиков ОС использовать это различие, что мы вскоре и увидим в отношении QNX.

Идентификатором потока (значимым только внутри одного процесса!) является TID (Thread ID), присваиваемый потоку при его создании вызовом pthread_create. TID позволяет процессу (а также системе в рамках процесса) однозначно идентифицировать каждый поток. Нумерация TID в QNX начинается с 1 (это всегда главный поток процесса, порожденный main) и последовательно возрастает по мере создания потоков (до 32767). [17]

16

Собственно с этим и связано употребление применительно к потокам названия «легкие процессы». Впервые этот термин (LWP — lightweight process) ввела в своей технической документации для обозначения понятия, эквивалентного потоку, фирма Sun Microsystems.

17

Эта схема PID/TID описана в POSIX, но выполняется далеко не во всех UNIX-совместимых ОС. Например, вплоть до самых последних редакций ядра Linux (ситуация стала меняться только сейчас) процессы ( fork) и потоки ( pthread_create) (создавались на базе единого системного вызова ( _clone) и TID являлись идентификаторами в едином ряду PID. Это может привести к трудно выявляемым ошибкам при переносе программ между двумя ОС.

Еще одним важнейшим атрибутом потока является приоритет его выполнения. Для каждого из уровней приоритетов, обслуживаемых системой (в QNX 6.2.1 таких уровней 64, в QNX 6.3 — 256), поддерживается циклическаяочередь потоков, готовых к исполнению (на деле большая часть из таких очередей оказывается пустой). Все политики диспетчеризации работают только с потоками из одной такой очереди: очереди потоков наивысшего из присутствующих в системе приоритетов. Если в системе выполняется поток высокого приоритета, то ни один поток более низкого приоритета не получит управление до тех пор, пока поток высокого приоритета не будет переведен в блокированное состояние в ожидании некоторого события (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Диспетчеризация потоков с различными приоритетами

На рис. 2.3 представлены два процесса, каждый из которых создает внутри себя несколько потоков, но на этот раз различных приоритетов (10 и 12). Жирной пунктирной линией показан порядок, в котором потоки высокого приоритета (12) объединены в циклическую очередь диспетчеризации. Это активная очередь диспетчеризации (наивысшего приоритета). Тонкой линией показан порядок потоков в другой очереди (приоритета 10). До тех пор пока все потоки активной очереди не окажутся в силу каких-либо обстоятельств в блокированном состоянии, ни один из потоков очереди приоритета 10 не получит ни единого кванта времени.

Создание нового потока

Создание нового потока в программном коде осуществляет вызов:

 int pthread_create(pthread_t* thread,
  const pthread_attr_t* attr, void*(*start_routine)(void*), void* arg);

где thread— NULL или указатель переменной типа pthread_t, значение которой будет загружено идентификатором созданного потока после успешного выполнения функции. Далее это значение (это и есть TID) может использоваться по тексту программы для идентификации созданного потока.

attr— NULL или указатель структуры типа pthread_attr_t. Если это значение NULL, то созданный поток будет иметь набор параметров, устанавливаемых по умолчанию. Если нет, то поток будет создан с параметрами, установленными в структуре attr. Модификация полей attr после создания потока (то есть после вызова функции) не оказывает никакого эффекта на параметры потока, и вообще говоря, структура attr может быть уничтожена сразу же после вызова pthread_create. Документация предостерегает от прямой манипуляции значениями полей этой структуры, предлагая использовать для этого функции pthread_attr_init и pthread_attr_set_*.

start_routine— функция типа void*(void*), уже упоминавшаяся выше как функция потока; это тот код, который будет фактически выполняться в качестве отдельного потока. Если выполнение этой функции завершается по return, то происходит нормальное завершение потока с вызовом pthread_exit, использующим значение, возвращаемое start_routine в качестве статуса завершения. (Исключением является поток, связанный с main; он при завершении выполняет вызов exit.)

arg— указатель на блок данных, передаваемых start_routine в качестве входного параметра. Этот параметр подробно рассмотрен далее.

Чаще всего (однако совершенно необязательно) функция потока start_routine представляет собой бесконечный цикл, в котором выполняются некоторые действия с выходом из цикла в том случае, когда нужно завершить выполнение и уничтожить созданный поток. Выглядит это следующим образом:

 // функция потока:
 void* ThreadProc(void* data) {
  while (true) {
  // ... выполняется работа ...
  if (...) break;
  // после этого поток нам уже не нужен!
  }
  return NULL;
 }

После успешного создания нового потока он начинает функционировать «параллельно» с породившим его потоком и другими потоками процесса (если быть совсем точными, то со всеми прочими потоками, существующими в системе, так как в QNX существует только одна стратегия диспетчеризации потоков PTHREAD_SCOPE_SYSTEM, и существует она глобально, на уровне всей системы). При этом после точки выполнения pthread_create невозможно предсказать, какой поток получит управление: породивший, порожденный или вообще произвольный поток из другого процесса. Это важно учитывать при передаче новому потоку данных и других операциях начальной инициализации параметров внутри созданного потока.