Основные идеи, понятия и объекты
Напомним, уточним и дополним определения, которые были даны в курсе [1] применительно к потокам управления.
Процесс – это адресное пространство вместе с выполняемыми в нем потоками управления, а также системными ресурсами, которые этим потокам требуются.
После того, как процесс создан с помощью функции fork(), он считается активным. Сразу после создания в его рамках существует ровно один поток управления – копия того, что вызвал fork().
До завершения процесса в его рамках существуют по крайней мере один поток управления и адресное пространство.
Большинство атрибутов процесса разделяются существующими в его рамках потоками управления. К числу индивидуальных атрибутов относятся идентификатор, приоритет и политика планирования, значение переменной errno, ассоциированные с потоком управления пары ключ/значение (служащие для организации индивидуальных данных потока и доступа к ним), а также системные ресурсы, требующиеся для поддержки потока управления.
Идентификатор потока управления уникален в пределах процесса, но не системы в целом.
Идентификаторы потоков управления представлены значениями типа pthread_t, который трактуется в стандарте POSIX-2001 как абстрактный. В частности, для него определен метод сравнения значений на равенство.
Всем потокам управления одного процесса доступны все объекты, адреса которых могут быть определены потоком. В число таких объектов входят статические переменные, области динамической памяти, полученные от функции malloc(), прямоадресуемая память, полученная от системно-зависимых функций, автоматические переменные и т.д.
По отношению к потокам управления вводится понятие безопасных функций, которые можно вызывать параллельно в нескольких потоках без нарушения корректности их функционирования. К числу безопасных принадлежат "чистые" функции, а также функции, обеспечивающие взаимное исключение перед доступом к разделяемым объектам. Если в стандарте явно не оговорено противное, функция считается потоково-безопасной.
Выполняющимся (активным) называется поток управления, обрабатываемый в данный момент процессором.
В многопроцессорных конфигурациях может одновременно выполняться несколько потоков.
Поток управления считается готовым к выполнению, если он способен стать активным, но не может этого сделать из-за отсутствия свободного процессора.
Поток управления называется вытесненным, если его выполнение приостановлено из-за того, что другой поток с более высоким приоритетом стал готов к выполнению.
Поток управления считается блокированным, если для продолжения его выполнения должно стать истинным некоторое условие, отличное от доступности процессора.
Списком потоков управления называется упорядоченный набор равноприоритетных потоков, готовых к выполнению. Порядок потоков в списке определяется политикой планирования. Множество наборов включает все потоки в системе, готовые к выполнению.
Планированием, согласно стандарту POSIX-2001, называется применение политики выбора процесса или потока управления, готового к выполнению, для его перевода в число активных, а также политики изменения списков потоков управления.
Под политикой планирования понимается набор правил, используемых для определения порядка выполнения процессов или потоков управления для достижения некоторой цели.
Политика планирования воздействует на порядок процессов (потоков управления) по крайней мере в следующих ситуациях:
- когда активный процесс (поток управления) блокируется или вытесняется;
- когда блокированный процесс (поток управления) становится готовым к выполнению.
Область планирования размещения – это набор процессоров, по отношению к которым в некоторый момент времени может планироваться поток управления.
Областью планирования конкуренции называется свойство потока управления, определяющее набор потоков, с которыми он конкурирует за ресурсы, например, за процессор. В стандарте POSIX-2001 предусмотрены две подобные области – PTHREAD_SCOPE_SYSTEM (конкуренция в масштабе системы) и PTHREAD_SCOPE_PROCESS (конкуренция в масшабе процесса).
Пожалуй, общей проблемой всех приложений является контроль переполнения стека.
Для ее решения стандартом POSIX- 2001 предусмотрено существование так называемой защитной области, расположенной за верхней границей стека. При переполнении и попадания указателя стека в защитную область операционная система должна фиксировать ошибку – например, доставлять потоку управления сигнал SIGSEGV.
С каждым потоком управления ассоциирован атрибутный объект – собрание атрибутов потока с конфигурируемыми значениями, таких как адрес и размер стека, параметры планирования и т.п. В стандарте POSIX-2001 атрибутные объекты представлены как значения абстрактного типа pthread_attr_t, внутренняя структура значений которого скрыта от приложений. Смысл введения атрибутных объектов – сгруппировать немобильные параметры потоков, чтобы облегчить адаптацию приложений к новым целевым платформам. Использование идеологии абстрактных объектов позволяет безболезненно добавлять новые атрибуты, не теряя обратной совместимости.
Обратим внимание на следующее обстоятельство, важное для реализации многопотоковых приложений. Иногда потоки управления называют легковесными процессами, поскольку они требуют существенно меньшей, чем обычные процессы, аппаратно-программной поддержки и, кроме того, их функционирование сопряжено с меньшими накладными расходами. С этой точки зрения потоками можно пользоваться более свободно, чем процессами. С другой стороны, потоки одного процесса никак не защищены друг от друга, они разделяют одно адресное пространство, поэтому, в отличие от полноценных процессов, ошибки в программе одного из них могут сказаться на других, породить ситуации, которые трудно воспроизвести, что делает поиск и исправление ошибок крайне сложными. В этом смысле легковесной можно назвать аналогию с процессами, основанную только на возможности параллельной работы. Она обманчива, поскольку из вида упускается очень важный аспект разделения доменов выполнения. Вообще говоря, многопотоковые приложения существенно менее надежны, чем многопроцессные, поэтому потоками управления следует пользоваться осторожно, систематически.
Операции с потоками управления можно подразделить на две группы:
- создание, терминирование, выполнение других управляющих операций;
- синхронизация.
В таком порядке они и будут рассматриваться далее. Отметим, что стандарт POSIX-2001 относит их к необязательной части, именуемой, как нетрудно догадаться, "Потоки управления" ("Threads", THR).
Модель, принятая в стандарте применительно к созданию потоков управления, отличается от соответствующей модели для процессов. При создании нового потока задается функция, с вызова которой начнется его выполнение, то есть вместо пары вида fork()/exec() создающий поток должен обратиться лишь к одной функции – pthread_create(). Впрочем, как мы увидим далее, и для процессов в стандарте POSIX-2001 произошел отход от классических канонов – введены средства (функции семейства posix_spawn()) для порождения процессов "в один ход".
Потоки управления бывают обособленными (отсоединенными) и присоединяемыми; только последние доступны другим потокам для ожидания завершения и, быть может, утилизации освободившихся ресурсов. Ресурсы, освободившиеся после завершения обособленных потоков управления, утилизирует операционная система.
Поток управления можно терминировать изнутри и извне (из других потоков того же процесса). Поток может управлять состоянием восприимчивости к терминированию (разрешить/запретить собственное терминирование извне), а также специфицировать тип терминирования (отложенное или немедленное, асинхронное).
Отложенное терминирование происходит только по достижении потоком управления точек терминирования – мест в оговоренных в стандарте POSIX функциях, где поток должен отреагировать на ждущие запросы на терминирование (если оно разрешено), перед тем как его выполнение будет приостановлено на неопределенное время с сохранением состояния восприимчивости к терминированию.
Согласно стандарту POSIX-2001, точки терминирования имеются в таких функциях, как accept(), connect(), msgrcv(), msgsnd(), pause(), read(), sleep(), wait(), write() и сходных с ними по поведению.Допускается существование подобных точек и в других, также оговоренных в стандарте POSIX функциях – printf(), scanf(), semop() и т.п.
