Файл: Б. М. Глинский канд техн наук, доцент.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
С.Б. АРЫКОВ, М.А. ГОРОДНИЧЕВ, Г.А. ЩУКИН
ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
НАД ОБЩЕЙ ПАМЯТЬЮ
POSIX THREADS
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2018

УДК 004.424.032.24 (075.8)
А 895
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Б.М. Глинский канд. техн. наук, доцент В.П. Маркова
Работа подготовлена на кафедре параллельных вычислительных технологий для студентов ФПМИ направлений
«Прикладная математика и информатика» и «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем»
Арыков С.Б.
А 895 Параллельное программирование над общей памятью. POSIX
Threads: учебное пособие / С.Б. Арыков, М.А. Городничев,
Г.А. Щукин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 87 с.
ISBN 978-5-7782-3642-4
В учебном пособии приводится описание прикладного программ- ного интерфейса POSIX Threads, рассматриваются примеры разработ- ки и отладки параллельных программ на его основе, содержится лабо- раторный практикум.
УДК 004.424.032.24 (075.8)
ISBN 978-5-7782-3642-4 ©
Арыков С.Б., Городничев М.А.,
Щукин Г.А., 2018
©
Новосибирский государственный технический университет, 2018

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................ 5
Введение .................................................................................................................. 7 1. МНОГОПОТОЧНАЯ ПРОГРАММА .............................................................. 10
Создание и завершение работы потоков ......................................................... 10
Атрибуты потоков ............................................................................................. 12
Присоединяемые и отсоединенные потоки .................................................... 16
Передача параметров в потоки ........................................................................ 18
Прочие функции ................................................................................................ 19
Дополнительная литература ............................................................................ 20 2. СИНХРОНИЗАЦИЯ ПОТОКОВ ..................................................................... 22
Мьютексы .......................................................................................................... 22
Спинлоки ........................................................................................................... 29
Барьеры .............................................................................................................. 31
Условные переменные ...................................................................................... 35
Дополнительная литература ............................................................................ 42 3. ПЛАНИРОВАНИЕ ПОТОКОВ ....................................................................... 43
Модель планирования потоков ........................................................................ 43
Политики планирования ................................................................................... 44
Распределение процессорного времени .......................................................... 46
Дополнительная литература ............................................................................ 47 4. ОТЛАДКА МНОГОПОТОЧНЫХ ПРОГРАММ ............................................ 48
Типовые ошибки многопоточных программ .................................................. 48
Особенности использования POSIX Threads .................................................. 49
Инструменты отладки многопоточных программ ......................................... 50
Отладка многопоточных программ с помощью GDB ................................... 51
Примеры сеансов работы с GDB ..................................................................... 58
Дополнительная литература ............................................................................ 66

4 5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ .................................................................. 67
Команды операционной системы .................................................................... 67
Исследование производительности параллельных программ ..................... 70
Лабораторная работа № 1. Программирование независимых потоков ........ 75
Лабораторная работа № 2. Программирование взаимодействующих потоков ................................................................. 77
Лабораторная работа № 3. Отладка многопоточных программ ................... 79
Подготовка отчета по лабораторной работе ................................................... 80
Дополнительная литература ............................................................................ 82
Библиографический список ................................................................................. 83
Приложение А. Шаблон титульного листа отчета о лабораторной работе ......................................................................................... 84
Приложение Б. Требования к оформлению отчета ............................................ 85

5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пособие предназначено для студентов дневной формы обучения факультета прикладной математики и информатики НГТУ направле- ний подготовки 01.03.02 «Прикладная математика и информатика»
(дисциплина «Основы параллельного программирования») и 02.03.03
«Математическое обеспечение и администрирование информационных систем» (дисциплина «Параллельное программирование»).
Учебное пособие содержит введение в проблематику параллельно- го программирования с использованием прикладного программного интерфейса POSIX Threads. В разделах 1–3 содержится подробное описание функций POSIX Threads с примерами использования. Рас- сматриваются вопросы создания и завершения потоков, управления атрибутами потоков, синхронизации потоков с помощью различных примитивов синхронизации, а также модель планирования потоков и управление политиками планирования. В конце каждого раздела при- водится список дополнительной литературы для более глубокого изу- чения материала.
Раздел 4 посвящен отладке многопоточных программ и включает как теоретическую часть (информацию по основным ошибкам при разработке многопоточных программ, типовым ошибкам при исполь- зовании POSIX Threads, инструментальным средствам для поиска и устранения ошибок), так и практические примеры использования от- ладчика GDB для обнаружения ошибок.
В разделе 5 представлен лабораторный практикум. Он ориентиро- ван на закрепление теоретических знаний и развитие практических навыков использования POSIX Threads для решения задач системного параллельного программирования. Каждая лабораторная работа со- держит материал, структурированный определенным образом: цель работы, порядок ее выполнения, варианты заданий для самостоятель- ной работы, контрольные вопросы. Кроме лабораторных работ раздел содержит методическую информацию о компиляции параллельных

6 программ и часто используемых командах ОС Linux при работе с па- раллельными программами, а также о правилах подготовки отчетов.
В пособии не рассматриваются некоторые аспекты POSIX Threads, которые не входят в программы учебных дисциплин «Основы парал- лельного программирования» и «Параллельное программирование».
В частности, опущены вопросы, связанные с отменой потоков и точка- ми отмены, работой с ключами данных, статической инициализацией объектов POSIX Threads, некоторыми атрибутами объектов синхрони- зации.
Для успешного овладения материалом пособия необходимы базо- вые знания языка C или C++ и опыт программирования в ОС Linux.
В результате изучения материала пособия студент должен:
знать
 основные функции POSIX Threads;
 основные примитивы синхронизации для разработки многопо- точных программ;
 основные ошибки многопоточного программирования;
уметь
 применять функции POSIX Threads для управления потоками, синхронизации потоков, планирования потоков;
 создавать законченные параллельные программы на основе
POSIX Threads;
владеть
 методами параллельного программирования для разработки при- кладного и системного программного обеспечения;
 навыками применения отладчика GDB для поиска ошибок в па- раллельных программах.

7
ВВЕДЕНИЕ
POSIX (англ. Portable Operating System Interface) – международный набор стандартов, зафиксированный в документе ISO/IEC/IEEE
9945:2009 Information technology – Portable Operating System Interface
(POSIX®) Base Specifications, Issue 7 (бесплатная версия стандарта, поддерживаемая Open Group, доступна в [7]) и описывающий интер- фейсы между операционной системой и прикладной программой. Его составной частью является раздел «XSH. System Interfaces», который в том числе определяет прикладной программный интерфейс (англ. API, application programing interface) для управления потоками. Этот API называют POSIX Threads или, для краткости, Pthreads.
Pthreads реализован на большом количестве платформ, его исполь- зование обеспечивает высокий уровень переносимости программного кода, поэтому часто Pthreads используется для системного программи- рования. Другими достоинствами Pthreads являются возможность со- здания приложений, которые исполняются существенно быстрее на многопроцессорных / многоядерных компьютерах; возможность ис- пользования системных ресурсов эффективнее; обеспечение большей дружественности для пользователя.
Pthreads определяет программный интерфейс для языка програм- мирования C. Структурно он состоит из специализированных типов данных и набора функций, предоставляющих возможность многопо-
точного программирования – такого подхода к дизайну приложения, когда оно представляется в виде множества потоков и разрешается их параллельное исполнение. Здесь поток – это последовательность ко- манд, которая может быть запланирована на исполнение операционной системой.
Основные типы данных Pthreads представлены в табл. 1.

8
Т а б л и ц а 1
Основные типы данных Pthreads
Название типа данных
Описание pthread_t
Идентификатор потока pthread_attr_t
Атрибуты потока pthread_mutex_t
Мьютекс pthread_mutexattr_t
Атрибуты мьютекса pthread_cond_t
Условная переменная pthread_condattr_t
Атрибуты условной переменной pthread_barrier_t
Барьер pthread_barrierattr_t
Атрибуты барьера pthread_spinlock_t
Спинлок pthread_once_t
Однократно инициализируемая структура управления
Все типы данных считаются «непрозрачными», что означает отсут- ствие официального определения этих типов. Чтобы дополнительно подчеркнуть этот факт, в документации они именуются объектами.
Программист никогда не должен делать предположений относительно их внутренней реализации. Например, идентификатор потока (тип pthread_t) может быть реализован как целое число, указатель на це- лое число или структура. Поэтому программный код, предполагаю- щий, например, что идентификатор потока – это число, будет некор- ректным. Для разработки переносимого программного кода необходи- мо для доступа к данным, имеющим один из типов Pthreads, использо- вать функции, предоставляемые Pthreads.
Функции Pthreads можно объединить в логические группы.
 Управление потоками. Сюда входят функции, которые непо- средственно работают с потоками: создание, отсоединение, работа с атрибутами потока.
 Синхронизация потоков. Модель синхронизации Pthreads в ос- новном использует мьютексы для защиты ресурсов и условные пере- менные для информирования потоков о событиях. Мьютекс позволяет потоку «захватить» разделяемые ресурсы на время работы с ними, так что другие потоки не смогут получить к ним доступ. Условная пере- менная позволяет потоку ожидать, пока разделяемые ресурсы перейдут

9 в какое-либо желаемое состояние (например, «очередь пуста» или «ре- сурс доступен»).
 Планирование потоков. Функции позволяют изменять политику планирования, приоритет потока, способ конкуренции за ресурсы про- цессора.
 Вспомогательные функции. Сюда входят функции определения идентификатора текущего потока и сравнения идентификаторов пото- ков, однократное выполнение заданной функции при инициализации приложения и ряд других функций.
Pthreads предлагает стандартизированный подход к способу ин- формирования об ошибках. Все функции Pthreads возвращают ноль в случае успеха. Если функция завершается с ошибкой, возвращается код ошибки – положительное значение, определенное в файле
.
Для общего знакомства с Pthreads можно использовать книги [1–3].
Для глубокого и всестороннего изучения темы рекомендуется обра- титься к оригинальной спецификации [7] и книге [8]. Для знакомства с теорией параллельного программирования рекомендуется книга [4].

10
1. МНОГОПОТОЧНАЯ ПРОГРАММА
С
ОЗДАНИЕ И ЗАВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ ПОТОКОВ
При запуске на исполнение программы, использующей Pthreads, создается новый процесс c единственным (основным) потоком, испол- няющим функцию main()
1
. Остальные потоки должны быть созданы программистом самостоятельно.
Функция pthread_create() позволяет добавить новый поток к текущему процессу.
Прототип функции: int pthread_create(pthread_t *restrict thread, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(*start_routine)(void*), void *restrict arg);
Параметры функции:
 thread – идентификатор созданного потока (указатель на область памяти, в которой в случае успешного создания потока размещает- ся объект типа pthread_t, идентифицирующий поток);
 attr – атрибуты
(указатель на переменную типа pthread_attr_t), которые получит поток; если указано NULL, то поток получит атрибуты по умолчанию: неограниченный, присо- единяемый, имеющий приоритет родителя и размер стека по умол- чанию (более подробная информация об атрибутах потока приве- дена в разделе «Атрибуты потоков»);
1
В C++ этот поток исполняет также конструкторы и деструкторы гло- бальных объектов.

11
 start_routine – функция, которую будет исполнять создаваемый поток;
 arg – единственный аргумент, который будет передан в функцию start_routine; если в аргументе нет необходимости, необходимо указывать NULL.
Сообщения об ошибках:
 ноль – ошибки отсутствуют;
 EAGAIN – недостаточно ресурсов для создания потока либо превы- шен лимит максимального количества потоков в процессе;
 EPERM – недостаточно прав доступа, чтобы установить требуемые параметры планирования или политику планирования (подробнее см. раздел 3).
Созданный поток может также создавать новые потоки. При этом между потоками нет какой-либо иерархии или зависимостей по умол- чанию.
Завершить работу потока позволяет функция pthread_exit()
Она также позволяет передать некоторое значение через область памя- ти, на которую указывает единственный параметр функции. Например, таким образом можно передать статус завершения потока.
Прототип функции: void pthread_exit(void *value_ptr);
Параметры функции:
 value_ptr – указатель на значение, которое необходимо передать
(нельзя передавать указатель на локальную переменную потока, так как она будет уничтожена при завершении работы потока), ли- бо NULL.
Сообщения об ошибках:
 отсутствуют.
В случае, если основной поток заканчивает свою работу, все пото- ки будут принудительно завершены. Вызов функции pthread_exit() в конце функции main() позволяет дождаться завершения работы всех потоков прежде, чем завершится работа программы.
Пример 1 иллюстрирует создание нового потока, который выводит сообщение на экран.