Лабораторная работа №2 «Процессы и потоки»

Теоретические сведения

Процессы и потоки

На самом высоком уровне абстракции система состоит из множества процессов. Каждый процесс ответственен за обеспечение служебных функций определенного характера, независимо от того, является ли он элементом файловой системы, драйвером дисплея, модулем сбора данных, модулем управления или чем-либо еще.

В пределах каждого процесса может быть множество потоков. Число потоков варьируется. Один разработчик ПО, используя только единственный поток, может реализовать те же самые функциональные возможности, что и другой, использующий пять потоков. Некоторые задачи сами по себе приводят к многопоточности и дают относительно простые решения, другие в силу своей природы, являются однопоточными, и свести их к многопоточной реализации достаточно трудно.

Почему процессы?

Почему же не взять просто один процесс с множеством потоков? В то время как некоторые операционные системы вынуждают вас программировать только в таком варианте, возникает ряд преимуществ при разделении объектов на множество процессов:

• · возможность декомпозиции задачи и модульной организации решения;
• · удобство сопровождения;
• · надежность.

Концепция разделения задачи на части, т. е., на несколько независимых задач, является очень мощной. И именно такая концепция лежит в основе QNX. Операционная система QNX состоит из множества независимых модулей, каждый из которых наделен некоторой зоной ответственности. Эти модули независимы и реализованы в отдельных процессах. Единственная возможность установить зависимость этих модулей друг от друга — наладить между ними информационную связь с помощью небольшого количества строго определенных интерфейсов.

Это естественно ведет к упрощению сопровождения программных продуктов, благодаря незначительному числу взаимосвязей. Поскольку каждый модуль четко определен, и устранять неисправности в одном таком модуле будет гораздо проще — тем более, что он не связан с другими.

Запуск процесса Теперь обратим внимание на функции, предназначенные для работы с потоками и процессами. Любой поток может осуществить запуск процесса; единственные налагаемые здесь ограничения вытекают из основных принципов защиты (правила доступа к файлу, ограничения на привилегии и т. д.).

Запуск процесса из командной строки Например, при запуске процесса из командного интерпретатора вы можете ввести командную строку:

$ program1

Это указание предписывает командному интерпретатору запустить программу program1 и ждать завершения ее работы. Или, вы могли набрать:

$ program2 &

Это указание предписывает командному интерпретатору запустить программу program2 без ожидания ее завершения. В таком случае говорят, что программа program2 работает в фоновом режиме.

Если вы пожелаете скорректировать приоритет программы до ее запуска, вы можете применить команду nice — точно так же, как в Unix:

$ nice program3

Запуск процесса из программы Нас обычно не заботит тот факт, что командный интерпретатор создает процессы — это просто подразумевается. В некоторых прикладных задачах можно положиться на сценарии командного интерпретатора (пакеты команд, записанные в файл), которые сделают эту работу за вас, но в ряде других случаев вы пожелаете создавать процессы самостоятельно.

Например, в большой мультипроцессорной системе вы можете пожелать, чтобы одна главная программа выполнила запуск всех других процессов вашего приложения на основании некоторого конфигурационного файла. Другим примером может служить необходимость запуска процессов по некоторому событию.

Рассмотрим некоторые из функций, которые обеспечивает для запуска других процессов (или подмены одного процесса другим):

• · system ();
• · семейство функций ехес ();
• · семейство функций spawn ();
• · fork ();
• · vfork ().

Какую из этих функций применять, зависит от двух требований: переносимости и функциональности. Как обычно, между этими двумя требованиями возможен компромисс.

Обычно при всех запросах на создание нового процесса происходит следующее. Поток в первоначальном процессе вызывает одну из вышеприведенных функций. В конечном итоге функция заставит администратор процессов создать адресное пространство для нового процесса. Затем ядро выполнит запуск потока в новом процессе. Этот поток выполнит несколько инструкций и вызовет функцию main ().

Запуск потока Теперь, когда мы знаем, как запустить другой процесс, давайте рассмотрим, как осуществить запуск другого потока.

Любой поток может создать другой поток в том же самом процессе; на это не налагается никаких ограничений (за исключением объема памяти, конечно!) Наиболее общий путь реализации этого — использование вызова функций pthread_create ():

#include

int int

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

Функция pthread_create () имеет четыре аргумента:

• · thread — указатель на pthread_t, где хранится идентификатор потока;
• · attr — атрибутная запись;
• · start_routine — подпрограмма, с которой начинается поток;
• · arg — параметр, который передается подпрограмме start_routine.

Отметим, что указатель thread и атрибутная запись (attr) — необязательные элементы, вы можете передавать вместо них NULL.

Параметр thread может использоваться для хранения идентификатора вновь создаваемого потока. Обратите внимание, что в примерах, приведенных ниже, мы передадим NULL, обозначив этим, что мы не заботимся о том, какой идентификатор будет иметь вновь создаваемый поток.

Если бы нам было до этого дело, мы бы сделали так:

pthread_t tid;

pthread_create (&tid,…

printf («Новый поток имеет идентификатор %d «, tid);

Такое применение совершенно типично, потому что вам часто может потребоваться знать, какой поток выполняет какой участок кода.

Небольшой тонкий момент. Новый поток может начать работать еще до присвоения значения параметру tid. Это означает, что вы должны внимательно относиться к использованию tid в качестве глобальной переменной. В примере, приведенном выше, все будет корректно, потому что вызов pthread_create () отработал до использования tid, что означает, что на момент использования tid имел корректное значение.

Новый поток начинает выполнение с функции start_routine (), с параметром arg.

Атрибутная запись потока Когда вы осуществляете запуск нового потока, он может следовать ряду четко определенных установок по умолчанию, или же вы можете явно задать его характеристики.

Прежде, чем мы перейдем к обсуждению задания атрибутов потока, рассмотрим тип данных Синхронизация Самый простой метод синхронизации — это «присоединение» (joining) потоков. Реально это действие означает ожидание завершения.

Присоединение выполняется одним потоком, ждущим завершения другого потока. Ждущий поток вызывает pthreadjoin ():

#include

int

Функции pthreadjoin () передается идентификатор потока, к которому вы желаете присоединиться, а также необязательный аргумент value_ptr, который может быть использован для сохранения возвращаемого присоединяемым потоком значения. (Вы можете передать вместо этого параметра NULL).

Где нам брать идентификатор потока?

В функции pthread_create () в качестве первого аргумента указатель на pthread_t. Там и будет сохранен идентификатор вновь созданного потока.