🗊Презентация Введение в нити стандарта posix (практика)

Программирование с использованием нитей Posix Нить (поток) очень похожа на процесс, ее еще называют легковесным процессом. Основные отличия от процесса: процессу соответствует своя независимая от других процессов область памяти, таблица открытых файлов, текущая директория и др. информация уровня ядра. У всех нитей, принадлежащих одному процессу все эти сущности общие. Стандарт Posix был принят в 1995г и существует на UNIX и Linux-подобных системах (до 1995 г. был только на UNIX-подобных системах). С этим стандартом совместимы или практически совместимы почти все существующие операционные системы: BSD, Mac OS, Solaris и др. Существует реализация соответствующих библиотек для Windows OS. Помимо Posix threads, существуют следующие распростаненные реализации программирования для систем с общей памятью (SMP – symmetric multiprocessing): OpenMP, Windows threads.

Схема работы параллельной программы с использованием нитей

Компиляция и запуск Компиляция: gcc file_name.c -lpthread -lrt (по умолчанию исполняемы файл имеет имя «a.out») Запуск: ./a.out – как обычно

Первая программа, часть 1 создание нити #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<pthread.h> // заголовочный файл pthread int main(int argc, char *argv[]){ int param; int rc; void *arg; pthread_t pthr; // тип данных pthread 1) rc = pthread_create(&pthr, NULL, start_func, NULL); // создание нити упрощенный вызов 2) rc = pthread_create(&pthr, NULL, start_func, (void*) &param);

Первая программа, часть 2 /* нить завершает свою работу, когда происходит выход из функции start_func. Если необходимо получить возвращаемое значение функции, то нужно использовать*/ 1) pthread_join(pthr, NULL); // по умолчанию ничего не принимаем 2) pthread_join(pthr, &arg); // записываем по адресу &arg адрес возвращаемой переменной } // конец функции main

Первая программа, часть 3 функция нити /* Функция работы нити (область жизни нити)*/ void* start_func(void* param){ int *local; local = (int*) param; 1) pthread_exit( NULL); // используется по умолчанию 2) pthread_exit( (void*) &arg); // используется, если необходимо завершить выполнение нити раньше с возвратом значения, возможно использование в качестве аргумента NULL , переменная arg должна быть выделена динамически или иметь класс памяти static 3) return NULL; // или так } // в момент выхода из функции start_func нить освобождает свои ресурсы (погибает)

Первая программа, часть 4 семафоры Механизм синхронизации нитей. Существует несколько механизмов, организующих доступ к критической секции. Критическая секция – участок кода программы, содержащий общий ресурс, и доступ к которому предоставляется лишь одной нити. N-мерный семафор принимает значения от 0 до N, мы будем пользоваться только бинарным семафором, принимающим значения 0 и 1

Первая программа, часть 5 семафоры #include<semaphore.h> sem_t sem; // объявление семафора – глобальной переменной int main(int argc, char *argv[]){ sem_init (&sem, 0, 1); // инициализация семафора атрибут начальное значение … sem_destroy(&sem); // освобождение семафора return 0; }

Первая программа, часть 6 критическая секция void* start_func(void* param){ int val; … sem_wait(&sem); // уменьшает значение на 1, если sem = 0 в момент выполнения функции, то нить ожидает … // действия над общей переменной sem_post(&sem); // увеличивает значение семафора на 1 sem_getvalue(&sem, &val); // проверка значения семафора return NULL; }

Полезные блоки программы // Создание нескольких нитей #define NUM_THREADS 2 int main (int argc, char *argv[]) { pthread_t pthr[NUM_THREADS]; void *arg; … for(i = 0; i < NUM_THREADS; i++){ rc = pthread_create(&pthr[i], NULL, start_func, NULL); if (rc) printf("ERROR; return code from pthread_create() is %d \n", rc); } … for(i = 0; i < NUM_THREADS; i++){ rc = pthread_join(pthr[i], &arg); printf("value from func %d \n", *(int*)arg); // в качестве примера if (rc) printf("ERROR; return code from pthread_join() is %d \n", rc); } }

Время работы программы #include<time.h> // заголовочный файл, содержащий типы и функции для работы с датой и временем struct timespec begin, end; // требует использования ключа –lrt ! double elapsed; clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &begin); /* возвращает ссылку на запись типа timespec, которая объявлена в time.h с полями time_t tv_sec; – секунды, long tv_nsec; – наносекунды. */ … // здесь работают нити clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &end); elapsed = end.tv_sec - begin.tv_sec; // время в секундах elapsed += (end.tv_nsec - begin.tv_nsec) / 1000000000.0; // добавляем время вплоть до наносекунд

О функции генерации случайных чисел 1 Функция rand() не является нитезащищенной. Она имеет следующий примерный вид: unsigned int next = 1; /* rand - return pseudo-random integer on 0..32767 */ int rand(void) { next = next*1103515245 + 12345; return (unsigned int)(next/65536) % 32768; } /* srand - set seed for rand() */ void srand(unsigned int seed) { next = seed; } и имеет дело с глобальной промежуточной переменной next, которая меняется при каждом вызове каждой из нитей. Это промежуточное значение хранится в статической области памяти, то есть является общей. Помимо неповторяемости результата, это приводит к сильному замедлению программы.

О функции генерации случайных чисел 2 С библиотекой стандарта Posix поставляется аналог ф-ии rand(), но уже нитезащищенный. Его вид: /* rand_r – a reentrant pseudo-random integer on 0..32767 */ int rand_r(unsigned int *nextp) { *nextp = *nextp * 1103515245 + 12345; return (unsigned int)(*nextp / 65536) % 32768; } то есть ф-ия имеет дело с локальной переменной нити, которую нужно объявить в функции-обработчике нити. Такая ф-ия называется реентерабельной (от англ. reentrant — повторно входимый). Поскольку промежуточное значение - уже локальная переменная, то конфликта доступа не возникает. Как это выглядит в программе: int x_k, y_k, z_k; x = ((float)rand_r(&x_k) / RAND_MAX) * (i_final - i_init) + i_init; y = (float)rand_r(&y_k) / RAND_MAX; z = (float)rand_r(&z_k) * Z0 / RAND_MAX;