UNIX: взаимодействие процессов - Уильям Стивенс

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cptr);

/* Все четыре функции возвращают 0 в случае успешного завершения работы, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

Рассмотрим, например, взаимное исключение. Аргумент mptr должен указывать на переменную типа pthread_mutex_t, для которой должна быть уже выделена память, и тогда функция pthread_mutex_init инициализирует это взаимное исключение. Значение типа pthread_mutexattr_t, на которое указывает второй аргумент функции pthread_mutex_init(attr ), задает атрибуты этого исключения. Если этот аргумент представляет собой нулевой указатель, используются значения атрибутов по умолчанию.

Атрибуты взаимного исключения имеют тип pthread_mutexattr_t, а условной переменной — pthread_condattr_t, и инициализируются и уничтожаются с помощью следующих функций:

#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);

int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr);

/* Все четыре функции возвращают 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

После инициализации атрибутов взаимного исключения или условной переменной для включения или выключения отдельных атрибутов используются отдельные функции. Например, один из атрибутов позволяет использовать данное взаимное исключение или условную переменную нескольким процессам (а не потокам одного процесса). Этот атрибут мы будем использовать в последующих главах. Его значение можно узнать и изменить с помощью следующих функций:

#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *attr, int *valptr);

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int value);

int pthread_condattr_getpshared(const pthread_condattr_t *attr, int *valptr);

int pthread_condattr_setpshared(pthread_condattr_t *attr, int value);

/* Все четыре функции возвращают 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

Две функции get возвращают текущее значение атрибута через целое, на которое указывает valptr, а две функции set устанавливают значение атрибута равным значению value. Значение value может быть либо PTHREAD_PROCESS_PRIVATE, либо PTHREAD_PROCESS_SHARED. Последнее также называется атрибутом совместного использования процессами. 

ПРИМЕЧАНИЕ

Эта возможность поддерживается только в том случае, если константа _POSIX_THREAD_PROCESS_SHARED определена в заголовочном файле <unistd.h>. Она является дополнительной согласно Posix.1 и обязательной по Unix 98 (табл. 1.3). 

Нижеследующий фрагмент кода показывает, как нужно инициализировать взаимное исключение, чтобы его можно было совместно использовать нескольким процессам:

pthread_mutex_t *mptr; /* указатель на взаимное исключение, находящееся в разделяемой памяти */

pthread_mutexattr_t mattr; /* атрибуты взаимного исключения */

…

mptr = /* некоторое значение, указывающее на разделяемую память */

Pthread_mutexattr_init(&mattr);

#ifdef _POSIX_THREAD_PROCESS_SHARED

 Pthread_mutexattr_setpshared(&mattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);

#else

 # error Эта реализация не поддерживает _POSIX_THREAD_PROCESS_SHARED

#endif

Pthread_mutex_init(mptr, &mattr);

Мы объявляем переменную mattr типа pthread_mutexattr_t, инициализируем ее значениями атрибутов по умолчанию, а затем устанавливаем атрибут PTHREAD_PROCESS_SHARED, позволяющий совместно использовать взаимное исключение нескольким процессам. Затем pthread_mutex_init инициализирует само исключение с соответствующими атрибутами. Количество разделяемой памяти, которое следует выделить под взаимное исключение, равно sizeof(pthread_mutex_t).

Практически такая же последовательность команд (с заменой mutex на cond) позволяет установить атрибут PTHREAD_PROCESS_SHARED для условной переменной, хранящейся в разделяемой несколькими процессами памяти.

Пример совместно используемых несколькими процессами взаимных исключений и условных переменных был приведен в листинге 5.18.

Завершение процесса, заблокировавшего ресурс

Когда взаимное исключение используется совместно несколькими процессами, всегда существует возможность, что процесс будет завершен (возможно, принудительно) во время работы с заблокированным им ресурсом. Не существует способа заставить систему автоматически снимать блокировку во время завершения процесса. Мы увидим, что это свойственно и блокировкам чтения-записи, и семафорам Posix. Единственный тип блокировок, автоматически снимаемых системой при завершении процесса, — блокировки записей fcntl (глава 9). При использовании семафоров System V можно специально указать ядру, следует ли автоматически снимать блокировки при завершении работы процесса (функция SEM_UNDO, о которой будет говориться в разделе 11.3).

Поток также может быть завершен в момент работы с заблокированным ресурсом, если его выполнение отменит (cancel) другой поток или он сам вызовет pthread_exit. Последнему варианту не следует уделять много внимания, поскольку поток должен сам знать, блокирует ли он взаимное исключение в данный момент или нет, и в зависимости от этого вызывать pthread_exit. На случай отмены другим потоком можно предусмотреть обработчик сигнала, вызываемый при отмене потока, что продемонстрировано в разделе 8.5. Если же для потока возникают фатальные условия, это обычно приводит к завершению работы всего процесса. Например, если поток делает некорректную операцию с указателем, что приводит к отправке сигнала SIGSEGV, это приводит к остановке всего процесса, если сигнал не перехватывается, и мы возвращаемся к предыдущей ситуации с гибелью процесса, заблокировавшего ресурс.

Даже если бы система автоматически разблокировала ресурсы после завершения процесса, это не всегда решало бы проблему. Блокировка защищала критическую область, в которой, возможно, изменялись какие-то данные. Если процесс был завершен посреди этой области, что стало с данными? Велика вероятность того, что возникнут несоответствия, если, например, новый элемент будет не полностью добавлен в связный список. Если бы ядро просто разблокировало взаимное исключение при завершении процесса, следующий процесс, обратившийся к списку, обнаружил бы, что тот поврежден.

В некоторых случаях автоматическое снятие блокировки (или счетчика — для семафора) при завершении процесса не вызывает проблем. Например, сервер может использовать семафор System V (с функцией SEM_UNDO) для подсчета количества одновременно обслуживаемых клиентов. Каждый раз при порождении процесса вызовом fork он увеличивает значение семафора на единицу, уменьшая его при завершении работы дочернего процесса. Если дочерний процесс завершит работу досрочно, ядро само уменьшит значение семафора. Пример, в котором автоматическое снятие блокировки ядром (а не уменьшение счетчика, как в вышеописанной ситуации) также не вызывает проблем, приведен в разделе 9.7. Демон блокирует один из файлов данных при записи в него и не снимает эту блокировку до завершения работы. Если кто-то попробует запустить копию демона, она завершит работу досрочно, когда обнаружит наличие блокировки на запись. Это гарантирует работу единственного экземпляра демона. Если же демон досрочно завершит работу, ядро само снимет блокировку, что позволит запустить копию демона.

7.8. Резюме

Взаимные исключения (mutual exclusion — mutex) используются для защиты критических областей кода, запрещая его одновременное выполнение несколькими потоками. В некоторых случаях потоку, заблокировавшему взаимное исключение, требуется дождаться выполнения какого-либо условия для выполнения последующих действий. В этом случае используется ожидание сигнала по условной переменной. Условная переменная всегда связывается с каким-либо взаимным исключением. Функция pthread_cond_wait, приостанавливающая работу процесса, разблокирует взаимное исключение перед остановкой работы и заново блокирует его при возобновлении работы процесса спустя некоторое время. Сигнал по условной переменной передается каким-либо другим потоком, и этот поток может разбудить либо только один произвольный поток из множества ожидающих (pthread_cond_signal), либо все их одновременно (pthread_cond_broadcast).

Взаимные исключения и условные переменные могут быть статическими. В этом случае они инициализируются также статически. Они могут быть и динамическими, что требует динамической инициализации. Динамическая инициализация дает возможность указать атрибуты, в частности атрибут совместного использования несколькими процессами, что действенно, если взаимное исключение или условная переменная находится в разделяемой этими процессами памяти.

Упражнения