並列分散ソフトウェア 電子・情報工学系 新城 靖 <yas@is.tsukuba.ac.jp>
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auto変数のスコープは、関数内。
auto変数より広い範囲で使えるスレッドごとのデータが必要になる。
tsd[thread_id][key];
pthread_key_create()
pthread_setspecific()
pthread_getspecific()
---------------------------------------------------------------------- 1: 2: /* 3: * tsd-counter.c 4: * $Header: /home/hlla/yas/cvs/sie-pdsoft-2000-examples/tsd-counter.c,v 1.1 2001/01/08 00:14:21 yas Exp $ 5: * http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/tsd-counter.c 6: * Start: 2001/01/08 08:51:25 7: */ 8: 9: #include <stdio.h> /* stderr */ 10: #include <stdlib.h> /* malloc() */ 11: #include <pthread.h> 12: 13: struct tsd_counter 14: { 15: int tc_value ; 16: }; 17: 18: static pthread_once_t tsd_counter_alloc_once = PTHREAD_ONCE_INIT ; 19: static pthread_key_t tsd_counter_tsdkey ; 20: 21: static void 22: tsd_counter_tsdkey_init() 23: { 24: extern void free(void *ptr); 25: pthread_key_create( &tsd_counter_tsdkey,free ); 26: } 27: 28: static struct tsd_counter * 29: tsd_counter_alloc() 30: { 31: struct tsd_counter *tc ; 32: 33: pthread_once(&tsd_counter_alloc_once,tsd_counter_tsdkey_init); 34: tc = malloc( sizeof(struct tsd_counter) ); 35: if( tc == 0 ) 36: { 37: fprintf(stderr,"no memory for struct tsd_counter\n"); 38: exit( -1 ); 39: } 40: memset( tc, 0, sizeof(struct tsd_counter) ); 41: if( pthread_setspecific( tsd_counter_tsdkey, tc ) != 0 ) 42: { 43: fprintf(stderr, "pthread_setspecific().\n"); 44: exit( -1 ); 45: } 46: return( tc ); 47: } 48: 49: static struct tsd_counter * 50: tsd_counter_gettsd() 51: { 52: struct tsd_counter *tc ; 53: tc = pthread_getspecific( tsd_counter_tsdkey ); 54: if( tc == 0 ) 55: { 56: tc = tsd_counter_alloc(); 57: } 58: return( tc ); 59: } 60: 61: void tsd_counter_reset( int val ) 62: { 63: struct tsd_counter *tc ; 64: tc = tsd_counter_gettsd(); 65: tc->tc_value = val ; 66: } 67: 68: void tsd_counter_up() 69: { 70: struct tsd_counter *tc ; 71: tc = tsd_counter_gettsd(); 72: tc->tc_value ++ ; 73: } 74: 75: int tsd_counter_getvalue() 76: { 77: struct tsd_counter *tc ; 78: tc = tsd_counter_gettsd(); 79: return( tc->tc_value ); 80: } ----------------------------------------------------------------------TSD 利用のパタン
pthread_getspecific()
の呼出しを節約するため。
pthread_key_create()
で
初期化する。確実に一度だけ初期化するために、pthread_once()
を使
う。
pthread_getspecific()
でポインタを得る。
malloc()
して、初期化して、
pthread_setspecific()
で登録する。
pthread_key_delete()
は、普通、使われない。ダイナミック・リンク
のモジュールを unload する時に必要になる(かもしれない)。
---------------------------------------------------------------------- 1: 2: /* 3: * tsd-counter-main.c 4: * $Header: /home/hlla/yas/cvs/sie-pdsoft-2000-examples/tsd-counter-main.c,v 1.1 2001/01/08 00:14:21 yas Exp $ 5: * http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/tsd-counter-main.c 6: * Start: 2001/01/08 08:51:25 7: */ 8: 9: #include <pthread.h> 10: 11: void thread1( int x ); 12: void thread2( int x ); 13: 14: extern void tsd_counter_reset( int val ); 15: extern void tsd_counter_up(); 16: extern int tsd_counter_getvalue(); 17: 18: main() 19: { 20: pthread_t t1 ; 21: pthread_t t2 ; 22: pthread_create( &t1, NULL, (void *)thread1, (void *)10 ); 23: pthread_create( &t2, NULL, (void *)thread2, (void *)20 ); 24: printf("main()\n"); 25: pthread_join( t1, NULL ); 26: pthread_join( t2, NULL ); 27: } 28: 29: void thread1( int x ) 30: { 31: int i ; 32: tsd_counter_reset( x ); 33: printf("thread1(): value=%d \n", tsd_counter_getvalue() ); 34: for( i = 0 ; i<3 ; i++ ) 35: { 36: tsd_counter_up(); 37: printf("thread1(): value=%d \n", tsd_counter_getvalue() ); 38: } 39: } 40: 41: void thread2( int x ) 42: { 43: int i ; 44: tsd_counter_reset( x ); 45: printf("thread1(): value=%d \n", tsd_counter_getvalue() ); 46: for( i = 0 ; i<3 ; i++ ) 47: { 48: tsd_counter_up(); 49: printf("thread2(): value=%d \n", tsd_counter_getvalue() ); 50: } 51: } ----------------------------------------------------------------------実行例。
---------------------------------------------------------------------- % wget http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/tsd-counter.c % wget http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/tsd-counter-main.c % wget http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/Makefile % make tsd-counter-main gcc -D_REENTRANT -g -mcpu=v8 -c tsd-counter-main.c -o tsd-counter-main.o gcc -D_REENTRANT -g -mcpu=v8 -c tsd-counter.c -o tsd-counter.o gcc -D_REENTRANT -g -mcpu=v8 -o tsd-counter-main tsd-counter-main.o tsd-counter.o -lpthread % ./tsd-counter-main main() thread1(): value=10 thread1(): value=11 thread1(): value=12 thread1(): value=13 thread1(): value=20 thread2(): value=21 thread2(): value=22 thread2(): value=23 % ----------------------------------------------------------------------
スレッド固有データの特徴
ただし意味が違うので、mutex と相互に書き換えできないことがある。 プロセス全体のデータを扱うものは、mutex で書くかない。 Time Zoneなど。
スレッドごとに乱数生成器を持ってもいいのか。 再現性が必要か。mutex では、再現性はない。
---------------------------------------------------------------------- 1: /* 2: * mutex-reclock-normal.c 3: * $Header: /home/hlla/yas/cvs/sie-pdsoft-2000-examples/mutex-reclock-normal.c,v 1.1 2001/01/08 00:55:02 yas Exp $ 4: * http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/mutex-reclock-normal.c 5: * Start: 2001/01/08 09:41:11 6: */ 7: 8: #include <pthread.h> 9: 10: void thread_A(), thread_B(); 11: int shared_resource ; 12: pthread_mutex_t mutex1 ; 13: 14: deposit( int n ) 15: { 16: pthread_mutex_lock( &mutex1 ); 17: shared_resource += n ; 18: pthread_mutex_unlock( &mutex1 ); 19: } 20: 21: add_interest() 22: { 23: int i ; 24: pthread_mutex_lock( &mutex1 ); 25: i = shared_resource * 0.05 ; 26: deposit( i ); 27: pthread_mutex_unlock( &mutex1 ); 28: } 29: 30: main() { 31: pthread_t t1 ; 32: pthread_t t2 ; 33: shared_resource = 0 ; 34: shared_resource = 1000000 ; 35: pthread_mutex_init( &mutex1, NULL ); 36: 37: pthread_create( &t1, NULL, (void *)thread_A, 0 ); 38: pthread_create( &t2, NULL, (void *)thread_B, 0 ); 39: pthread_join( t1, NULL ); 40: pthread_join( t2, NULL ); 41: printf("main(): shared_resource == %d\n", shared_resource ); 42: } 43: 44: void thread_A() 45: { 46: printf("thread_A(): deposit( 10000 ) ... \n"); 47: deposit( 10000 ); 48: printf("thread_A(): deposit( 10000 ) done. \n"); 49: } 50: 51: void thread_B() 52: { 53: printf("thread_B(): add_interest() ... \n"); 54: add_interest(); 55: printf("thread_B(): add_interest() done. \n"); 56: } ----------------------------------------------------------------------実行例。
---------------------------------------------------------------------- % make mutex-reclock-normal gcc -D_REENTRANT -g -mcpu=v8 -c mutex-reclock-normal.c -o mutex-reclock-normal.o gcc -D_REENTRANT mutex-reclock-normal.o -lpthread -lrt -o mutex-reclock-normal % ./mutex-reclock-normal thread_A(): deposit( 10000 ) ... thread_A(): deposit( 10000 ) done. thread_B(): add_interest() ... ^C % ----------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------- 1: /* 2: * mutex-reclock-recursive.c 3: * $Header: /home/hlla/yas/cvs/sie-pdsoft-2000-examples/mutex-reclock-recursive.c,v 1.1 2001/01/08 00:55:02 yas Exp $ 4: * http://www.hlla.is.tsukuba.ac.jp/~yas/sie/pdsoft-2000/examples/mutex-reclock-recursive.c 5: * Start: 2001/01/08 09:41:11 6: */ ... 30: static int 31: my_pthread_mutex_init_recursive( pthread_mutex_t *mutex ) 32: { 33: pthread_mutexattr_t attr ; 34: int err ; 35: if( (err=pthread_mutexattr_init( &attr )) < 0 ) 36: return( 0 ); 37: if( (err=pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE)) <0 ) 38: return( 0 ); 39: err = pthread_mutex_init( mutex,&attr ); 40: return( err ); 41: } 42: 43: main() 44: { 45: pthread_t t1 ; 46: pthread_t t2 ; 47: shared_resource = 0 ; 48: shared_resource = 1000000 ; 49: my_pthread_mutex_init_recursive( &mutex1 ); 50: 51: pthread_create( &t1, NULL, (void *)thread_A, 0 ); 52: pthread_create( &t2, NULL, (void *)thread_B, 0 ); 53: pthread_join( t1, NULL ); 54: pthread_join( t2, NULL ); 55: printf("main(): shared_resource == %d\n", shared_resource ); 56: } ... ----------------------------------------------------------------------実行例。
---------------------------------------------------------------------- % make mutex-reclock-recursive gcc -D_REENTRANT -g -mcpu=v8 -c mutex-reclock-recursive.c -o mutex-reclock-recursive.o gcc -D_REENTRANT mutex-reclock-recursive.o -lpthread -lrt -o mutex-reclock-recursive % ./mutex-reclock-recursive thread_A(): deposit( 10000 ) ... thread_A(): deposit( 10000 ) done. thread_B(): add_interest() ... thread_B(): add_interest() done. main(): shared_resource == 1060500 % ----------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------- printf("hello,world\n"); ----------------------------------------------------------------------上と下は、結果が違う。
---------------------------------------------------------------------- printf("hello,"); /* ここに他のスレッドの出力が混じることがある */ printf("world\n"); ----------------------------------------------------------------------これを避けるには、
flockfile(),funlockfile(),ftrylockfile()
を使う。
---------------------------------------------------------------------- flockfile(stdout); printf("hello,"); /* ここに他のスレッドの出力が混じることはない */ printf("world\n"); funlockfile(stdout); ----------------------------------------------------------------------
putchar()
や
getchar()
は、遅すぎる。
flockfile()/funlockfile()
の中で使うための
putchar_unlocked(),getchar_unlocked(),putc_unlocked(),getc__unlocked()
が用意されている。printf_unsafe()
はない。
これを実現するものが、「複数読み手単一書き手ロック」、あるいは、 「読み書きロック」。
初期の Pthread には、この機能はなかった。新しい標準で採り入れられた。
次のような機能がある。
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr); int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock); pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlockattr_init(pthread_rwlockattr_t *attr); int pthread_rwlockattr_destroy(pthread_rwlockattr_t *attr);
Dijkstra, Brinch Hansen にり提唱。Hoare によって発展。
Binch Hansen の Concurrent Pascal、N.Wirth の Modula, R.C.Holt の CSP/k、Xerox社の Mesa、Hoare Simula 。
モニタ内部の関数が呼び出されると、自動的にロックされる。 リターンすると解除される。
モニタ名: monitor begin 局所変数 procedure モニタ名(引数の並び); begin 本体 end 局所手続き 初期化のコード end
利点
Java には、最初から言語のレベルでスレッドの機能が入っている。
---------------------------------------------------------------------- Java Pthread ---------------------------------------------------------------------- new Thread(); start(); pthread_create() join() pthread_join() synchronized pthread_mutex_lock()とpthread_mutex_unlock()の組 wait() pthread_cond_wait() wait(long timeout) pthread_cond_timedwait() notify() pthread_cond_signal() notifyAll() pthread_cond_broadcast() ----------------------------------------------------------------------
Java の synchronized は、再帰可能。PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 相当。 1つのスレッドが2度同じオブジェクトをロックしてもよい。
Pthreads のプログラムで、1つの mutex と1つの条件変数を使ったものなら、 Java で簡単に書き直せる。
循環バッファのプログラムは、1つの mutex で2つの条件変数を使っている ので、単純には Java で書き直せない。
Java で書かれたスレッドのプログラムは、汚いものがけっこうある。スレッ ド「間」の同期で、対称系になるべき所を、片方のスレッドのメソッドにして、 非対称になっていることがある。Java でプログラムを書く時にも、active object (thread) と passive object (threadなし)をきちんと分けた方がよい。
基本的には、スレッドのプログラムでUnix のシグナル(ソフトウェア割込みの 扱い)を使ってはいけない。 マルチスレッドは、ソフトウェア割込みを、より使いやすいものに置き換える ためのもの。
シグナルは、SIGKILL や SIGSTOP などプロセス全体を操作するためだ けに使うべきである。
どうしても必要な時:
pthread_sigmask()
を使ってマスクする。
sigwait()
, sigtimewait()
を呼び出すよ
うなシグナルを待つ専用のスレッドを作る。
fork()
の意味が不明
どうしても fork()
する時必要がある時には、fork() の時に
必要な特殊な処理を行なう手続きを書き、pthread_atfork()
で登録する。
execve() には問題がない。 ただし、プロセス間共有メモリを使っている時には、共有メモリ上の mutex をアンロックする。
例:2つの mutex を2つのスレッドが次のようなタイミングでロックしよう とすると、デッドロックになる。
---------------------------------------------------------------------- thread_A() thread_B() : : pthread_mutex_lock( &mutex1 ); pthread_mutex_lock( &mutex2 ); : : pthread_mutex_lock( &mutex2 ); pthread_mutex_lock( &mutex1 ); ----------------------------------------------------------------------
解決方法(1): 複数の mutex をロックする時に順序を決める。
上の場合、どのスレッドも mutex1
, mutex2
の
順でロックを行なうと、デッドロックは起こらない。
解決方法(2): だめな時には最初からやりなおす。
pthread_mutex_trylock()
を使って、失敗したら全部をアンロッ
クして最初からやり直す。
ライブロックの危険性がある。
Java で利用可能なセマフォを実現しなさい。
レポートは、次のような形式の電子メールで送ること。
---------------------------------------------------------------------- To: yas@is.tsukuba.ac.jp Subject: [pdsoft/report-thread-3] <内容に関したサブジェクト> 学籍番号 000000 (各自の学籍番号で置き換える) 名前 漢字の名前 <本文> ---------------------------------------------------------------------- <内容>前々回の注意事項も参照のこと。 次のライブラリ関数は、static 変数に結果を保存して返すので、スレッド・ セーフではない。
getlogin() readdir() strtok() asctime() ctime() gmtime() localtime()
rand() getgrgi() getgrnam() getpwuid() getpwnam()
これらのライブラリ関数を、スレッド固有データを使うように修正しなさい。 この時、引数の数と型、結果の型は、スレッド・セーフでないものと同じにな るようにしなさい。ただし、名前には、_tsd というサフィックスを付け、ス レッド・セーフではないものと区別すること。実現では、それぞれのリエント ラント版を使ってもよい。たとえば、getlogin_tsd() の実現において、 getlogin_r() を使ってよい。
実現した関数と、mutex を使う方法との性能を比較しなさい。
銀行口座として、普通口座と定期口座の2つの口座を考える。その2つの口座 の総合残高を返す手続きを、読み書きロックを使って書きなさい。総合残高以 外にも、それぞれの口座は、単独に預入、引出しができるようにすること。 2つの銀行口座の間で、デットロックが起きないように預金を移動させる手続 きを実現しなさい。