В этом приложении приведены основные функции, используемые для работы с потоками. В традиционной модели Unix процесс, которому нужно, чтобы какое-то действие было выполнено не им самим, порождает дочерний процесс вызовом fork. Большая часть сетевых серверов под Unix написана именно так.

Хотя эта парадигма хорошо работала на протяжении многих лет, вызов fork обладает некоторыми недостатками:

■ вызов fork ресурсоемок. Память копируется от родительского процесса к дочернему, копируются все дескрипторы и т. д. Существующие реализации используют метод копирования при записи (copy-on-write), что исключает необходимость копирования адресного пространства родительского процесса, пока оно не понадобится клиенту, но, несмотря на эту оптимизацию, вызов fork остается ресурсоемким;

■ для передачи информации между родительским и дочерним процессами необходимо использовать одну из форм IPC после вызова fork. Передать информацию дочернему процессу легко: это можно сделать до вызова fork. Однако передать ее обратно может быть достаточно сложно.

Потоки помогают решить обе проблемы. Часто они называются «облегченными процессами» (lightweight processes), поскольку поток проще, чем процесс. Создание потока может занимать по времени меньше одной десятой создания процесса.

Все потоки одного процесса совместно используют его глобальные переменные, поэтому им легко обмениваться информацией, но это приводит к необходимости синхронизации. Однако общими становятся не только глобальные переменные. Все потоки одного процесса разделяют:

■ инструкции процесса;

■ большую часть данных;

■ открытые файлы (дескрипторы);

■ обработчики сигналов и вообще настройки для работы с сигналами;

■ текущий рабочий каталог;

■ идентификатор пользователя и группы.

Однако каждый поток имеет свои собственный:

■ идентификатор потока;

■ набор регистров, включая PC и указатель стека;

■ стек (для локальных переменных и адресов возврата);

■ errno;

■ маску сигналов;

■ приоритет.

В этом разделе мы опишем пять основных функций для работы с потоками.

При запуске пpoгрaммы вызовом exec создается единственный поток, называемый начальным потоком, или главным (initial thread). Добавочные потоки создаются вызовом pthread_create:

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, void *(*func) (void *), void *arg);

/* Возвращает 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

Каждый поток процесса обладает собственным идентификатором потока, который имеет тип pthread_t. При успешном создании нового потока его идентификатор возвращается через указатель tid.

Каждый поток обладает некоторым количеством атрибутов: приоритетом, начальным размером стека, признаком демона и т. п. При создании потока эти атрибуты могут быть указаны с помощью переменной типа pthread_attr_t, значение которой имеет более высокий приоритет, чем значения по умолчанию. Обычно мы используем значения по умолчанию. При этом аргумент attr является нулевым указателем.

Наконец, при создании потока мы должны указать функцию, которую он будет выполнять, — начальную функцию потока (thread start function). Поток запускается вызовом этой функции и завершается либо явно (вызовом pthread_exit), либо неявно (возвратом из этой функции). Адрес функции указывается в аргументе func, и вызывается она с единственным аргументом — указателем arg. Если функции нужно передать несколько аргументов, следует упаковать их в структуру и передать ее адрес в качестве единственного аргумента начальной функции.

Обратите внимание на объявления func и arg. Функция принимает один аргумент — указатель типа void, и возвращает один аргумент — такой же указатель. Это дает нам возможность передать потоку указатель на что угодно и получить в ответ такой же указатель.

Функции Posix для работы с потоками обычно возвращают 0 в случае успешного завершения работы и ненулевое значение в случае ошибки. В отличие от большинства системных функций, возвращающих –1 в случае ошибки и устанавливающих значение errno равным коду ошибки, функции Pthread возвращают положительный код ошибки. Например, если pthread_create не сможет создать новый поток из-за превышения системного oгрaничeния на потоки, эта функция вернет значение EAGAIN. Функции Pthread не устанавливают значение переменной errno. Несоответствий при их вызове не возникает, поскольку ни один из кодов ошибок не имеет нулевого значения (<sys/errno.h>).

Мы можем ожидать завершения какого-либо процесса, вызвав pthread_join. Сравнивая потоки с процессами Unix, можно сказать, что pthread_create аналогична fork, a pthread_join — waitpid:

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t tid, void **status);

/* Возвращает 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

Мы должны указать идентификатор потока, завершения которого ожидаем. К сожалению, невозможно задать режим ожидания завершения нескольких потоков (аналога waitpid с идентификатором процесса –1 нет).

Если указатель status ненулевой, возвращаемое потоком значение (указатель на объект) сохраняется в ячейке памяти, на которую указывает status.

У каждого потока имеется свой идентификатор, уникальный в пределах данного процесса. Идентификатор возвращается pthread_create и используется при вызове pthread_join. Поток может узнать свой собственный идентификатор вызовом pthread_self:

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

/* Возвращает идентификатор вызвавшего потока */

Вызов pthread_self является аналогом getpid для процессов Unix.

Поток может являться как присоединяемым (по умолчанию), так и отсоединенным. При завершении присоединяемого потока его идентификатор и статус завершения сохраняются до тех пор, пока какой-либо другой поток данного процесса не вызовет pthread_join. Отсоединенный поток функционирует аналогично процессу-демону. После его завершения все ресурсы освобождаются. Никакой другой поток не может ожидать его завершения. Если имеется необходимость ожидания одним потоком завершения другого, лучше оставить последний присоединяемым.

Функция pthread_detach делает данный поток отсоединенным:

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t tid);

/* Возвращает 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх в случае ошибки */

Эта функция вызывается потоком при необходимости изменить собственный статус в форме

pthread_detach(pthread_self());

Одним из способов завершения потока является вызов pthread_exit:

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *status);

/* ничего не возвращает вызвавшему потоку */

Если поток не является отсоединенным, его идентификатор и статус завершения сохраняются для возвращения другому потоку, который может вызвать pthread_join.

Указатель status не должен быть установлен на локальный объект вызвавшего потока (типа автоматической переменной), поскольку этот объект уничтожается при завершении потока.

Поток может быть завершен двумя другими способами:

■ начальная функция потока (третий аргумент pthread_create) может вызвать return. Поскольку эта функция должна объявляться как возвращающая указатель на тип void, это возвращаемое значение становится статусом завершения потока;

■ функция main процесса может завершить работу или один из потоков может вызвать exit или _exit. При этом процесс завершает работу немедленно, вместе со всеми своими потоками.