multithread_lol

Программирование C в Linux — потоки pthreads

Многопоточность в программировании является важным механизмом в наше время. Поэтому я решил посвятить несколько статей этой теме.

В семействах ОС Windows - каждая программа запускает один процесс выполнения, в котором находится как минимум один поток (нить). В процессе может находиться множество потоков, между которыми делится процессорное время. Один процесс не может напрямую обратиться к памяти другого процесса, а потоки же разделяют одно адресное пространство одного процесса.  То есть в Windows - процесс это совокупность потоков.

В Linux же немного по-другому. Сущность процесса такая же, как и в Windows - это исполняемая программа со своими данными. Но вот поток в Linux является отдельным процессом (можно встретить название как "легковесный процесс", LWP). Различие такое же - процесс отдельная программа со своей памятью, не может напрямую обратиться к памяти другого процесса, а вот поток, хоть и отдельный процесс, имеет доступ к памяти процесса-родителя [2]. LWP процессы создаются с помощью системного вызова clone() с указанием определенных флагов.

Но также имеется такая вещь, которая называется "POSIX Threads" - библиотечка стандарта POSIX, которая организует потоки (они же нити) внутри процесса. Т.е тут уже распараллеливание происходит в рамках одного процесса.

И тут встает вопрос различия терминов "поток", "процесс", "нить" и т.д. Проблема в том, что в англоязычной литературе данные термины определяются однозначно, у нас же с нашим великим и могучим имеются противоречия, что может привести к дикому диссонансу.

Но это все в общих чертах, для более точной информации следует обратиться к соответствующей литературе, либо к официальной документации, можно почитать man'ы. В конце статьи я приведу несколько полезных ссылок на ресурсы, где более подробно расписано как все работает, а пока займемся практикой.

Я рассмотрю два варианта "распараллеливания" программы - создания потока/нити с помощью функций из pthread.h (POSIX Threads), либо создание отдельного процесса с помощью функции fork().

Сегодня рассмотрим потоки из библиотеки pthread.

Шаблон кода для работы с потоками выглядит следующим образом:

Как видно из кода, сущность потока воплощена в функции, в данном случае, threadFunc. Имя такой функции может быть произвольным, а вот возвращаемый тип и тип входного аргумента должны быть строго void*. Данная функция будет выполняться в отдельном потоке исполнения, поэтому необходимо с особой осторожностью подходить к реализации данной функции из-за доступа к одной и той же памяти родительского процесса многими потоками. Завершение достигается несколькими вариантами: поток достиг точки завершения (return, pthread_exit(0)), либо поток был завершен извне.

Создание потока происходит с помощью функции pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void*(*function)(void*), void* arg), где: tid - идентификатор потока, attr - параметры потока (NULL - атрибуты по умолчанию, подробности в man), function - указатель на потоковую функцию, в нашем случае threadFunc и arg - указатель на передаваемые данные в поток.

Функция pthread_join ожидает завершения потока thread. Второй параметр этой функции - результат, возвращаемый потоком.

Попробуем по этому шаблону написать программу, которая выполняет что-то полезное. Например, попытаемся сложить две матрицы и сохранить результат в третьей результирующей матрице. Для решения данной задачи уже необходимо подумать о правильном распределении данных между потоками. Я реализовал простой алгоритм - сколько строк в матрице, столько потоков. Каждый поток складывает элементы строки первой матрицы с элементами строки второй матрицы и сохраняет результат в строку третей матрицы. Получается, что каждый поток работает ровно со своими данными и таким образом исключается доступ одного потока к данным другого потока. Пример программы с использованием потоков pthread выгляди следующим образом:

Результат выполнения в ОС CentOS 7 с выводом в консоль выгляди следующим образом:

pthread_matrix

Для компиляции программы с использованием pthread, линковщику следует указать флаг -lpthread (или подключить библиотеку pthread в IDE). Команда для компиляции в gcc будет выглядеть примерно так:

gcc -std=c99 main.c -o main.out -lpthread

Собственно, это все, что я хотел сообщить. Приведу еще пару полезных ссылок на ресурсы для более подробного изучения. В следующих статьях будут рассмотрены механизмы мьютекосв для данных потоков и примеры работы с функцией fork().

Полезные материалы:

3 thoughts on “Программирование C в Linux — потоки pthreads

  1. Товарищи, ну зачем вы пишите такие примеры? Почему нельзя сделать кучу маленьких примеров в 10 строк вместо одного большого на 8 десятков? Для кого вы это пишите? Новичкам вы только вредите, а профессионалам это и даром не надь.
    Человек хочет узнать, что такое потоки и как их юзать, а в примере какие-то структуры, массивы, циклы…
    Это только отвлекает внимание от сути.
    Ну представьте, сидите вы на форуме, приходит новичок с вопросом и вываливает свой код на сотню строк. Вы же первые его закидаете тухлыми помидорами и пошлете куда по-дальше, потому как разбираться в коде, где большая часть его к сути вопроса отношения не имеет — занятие неблагодарное.

    • Во-первых, в статье есть пример простейшего кода для создания потока на 20 строк с комментариями и пояснениями в тексте.
      Во-вторых, вторая программа нужна для отражение примера кода, на основе которого можно понять базовые принципы работы с многопоточными программами и как это все правильно «юзать» с данными. Это простой пример, с которыми работают студенты начальных курсов университетов и отлично с этим справляются.
      В-третьих, если, как Вы говорите, новичок не знает что такое циклы, массивы и структуры, но сразу начинает изучать потоки, то тут явно что-то не так, для такого уровня не предназначена эта статья. Это основы, без которых не получится писать многопоточные программы и, пожалуй, прежде стоит хорошо изучать основы языка.
      К сожалению, ничего не поделать и написать хороший пример программы с posix-потоками на 10 строк кода для языка С вряд ли получится.

Добавить комментарий для tetraquark Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code class="" title="" data-url=""> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> <pre class="" title="" data-url=""> <span class="" title="" data-url="">