UNIX: разработка сетевых приложений - Уильям Стивенс

Приведенная таблица позволяет заключить, что общим способом сделать функцию допускающей повторное вхождение является определение новой функции с названием, оканчивающимся на _r. Обе функции будут безопасными в многопоточной среде, только если вызывающий процесс выделяет в памяти место для результата и передает соответствующий указатель как аргумент функции.

26.5. Собственные данные потоков

При преобразовании существующих функций для использования в многопоточной среде часто возникают проблемы, связанные со статическими переменными. Функция, сохраняющая состояние в собственном буфере или возвращающая результат в виде указателя на статический буфер, не является безопасной в многопоточной среде, поскольку несколько потоков не могут использовать один и тот же буфер для хранения разных данных. Такая проблема имеет несколько решений.

1. Использование собственных данных потоков (thread-specific data). Это нетривиальная задача, и функция при этом преобразуется к такому виду, что может использоваться только в системах, поддерживающих потоки. Преимущество этого подхода заключается в том, что не меняется вызывающая последовательность, и все изменения связаны с библиотечной функцией, а не с приложениями, которые вызывают эту функцию. Позже в этом разделе мы покажем безопасную в многопоточной среде версию функции readline, созданную с применением собственных данных потоков.

2. Изменение вызывающей последовательности таким образом, чтобы вызывающий процесс упаковывал все аргументы в некую структуру, а также записывал в нее статические переменные из листинга 3.12. Это также было сделано, и в листинге 26.4 показана новая структура и новые прототипы функций.

Листинг 26.4. Структура данных и прототип функции для версии функции readline, допускающей повторное вхождение

typedef struct {

 int    read_fd;    /* дескриптор, указывающий, откуда считываются данные */

 char   *read_ptr;   /* буфер, куда передаются данные */

 size_t read_maxlen; /* максимальное количество байтов, которое может быть считано */

 /* следующие три элемента для внутреннего использования функцией */

 int    rl_cnt;      /* инициализируется нулем */

 char   *rl_bufptr;  /* инициализируется значением rl_buf */

 char   rl_buf[MAXLINE];

} Rline;

void readline_rinit(int, void*, size_t, Rline*);

ssize_t readline_r(Rline*);

ssize_t Readline_r(Rline*);

Эти новые функции могут использоваться как в системах с поддержкой потоков, так и в тех, где потоки не поддерживаются, но все приложения, вызывающие функцию readline, должны быть изменены.

3. Реструктуризация интерфейса для исключения статических переменных и обеспечения безопасности функции в многопоточной среде. Для readline это будет означать отказ от увеличения быстродействия, достигнутого в листинге 3.12, и возвращение к более старой версии, представленной в листинге 3.11. Поскольку мы назвали старую версию «ужасно медленной», это решение не всегда пригодно на практике.

Использование собственных данных потоков — это распространенный способ сделать существующую функцию безопасной в многопоточной среде. Прежде чем описывать функции Pthread, работающие с такими данными, мы опишем саму концепцию и возможный способ реализации, так как эти функции кажутся более сложными, чем являются на самом деле.

Частично осложнения возникают по той причине, что во всех книгах, где идет речь о потоках, описание собственных данных потоков дается по образцу стандарта Pthreads. Пары ключ-значение и ключи рассматриваются в них как непрозрачные объекты. Мы описываем собственные данные потоков в терминах индексов и указателей, так как обычно в реализациях в качестве ключей используются небольшие положительные целые числа (индексы), а значение, ассоциированное с ключом, — это просто указатель на область памяти, выделяемую потоку с помощью функции malloc.

В каждой системе поддерживается ограниченное количество объектов собственных данных потоков. В POSIX требуется, чтобы этот предел не превышал 128 (на каждый процесс), и в следующем примере мы используем именно это значение. Система (вероятно, библиотека потоков) поддерживает один массив структур (которые мы называем структурами Key) для каждого процесса, как показано на рис. 26.2.

Рис. 26.2. Возможная реализация собственных данных потока

Флаг в структуре Key указывает, используется ли в настоящий момент данный элемент массива. Все флаги инициализируются как указывающие на то, что элемент не используется. Когда поток вызывает функцию pthread_key_create для создания нового элемента собственных данных потока, система отыскивает в массиве структур Key первую структуру, не используемую в настоящий момент. Индекс этой структуры, который может иметь значение от 0 до 127, называется ключом и возвращается вызывающему потоку как результат выполнения функции. О втором элементе структуры Key, так называемом указателе-деструкторе, мы поговорим чуть позже.

В дополнение к массиву структур Key, общему для всего процесса, система хранит набор сведений о каждом потоке процесса в структуре Pthread. Частью этой структуры является массив указателей, состоящий из 128 элементов, который мы называем pkey. Это показано на рис. 26.3.

Рис. 26.3. Информация, хранящаяся в системе для каждого потока

Все элементы массива pkey инициализируются пустыми указателями. Эти 128 указателей являются «значениями», ассоциированными с каждым из 128 «ключей» процесса.

Когда мы с помощью функции pthread_key_create создаем ключ, система сообщает нам фактическое значение ключа (индекс). Затем каждый поток может сохранить значение (указатель), связанное с этим ключом, и, как правило, каждый поток получает этот указатель в виде возвращаемого значения функции malloc. Частично путаница с собственными данными потока обусловлена тем, что указатель в паре ключ-значение играет роль значения, но сами собственные данные потока — это то, на что указывает данный указатель.

Теперь мы перейдем к примеру применения собственных данных потока, предполагая, что наша функция readline использует их для хранения информации о состоянии каждого потока при последовательных обращениях к ней. Вскоре мы покажем код, выполняющий эту задачу, в котором функция readline модифицирована так, чтобы реализовать представленную далее последовательность шагов.

1. Запускается процесс, и создается несколько потоков.

2. Один из потоков вызовет функцию readline первой, а та, в свою очередь, вызовет функцию phtread_key_create. Система отыщет первую неиспользуемую структуру Key (см. рис. 26.2) и возвратит вызывающему процессу ее индекс. В данном примере мы предполагаем, что индекс равен 1.

Мы будем использовать функцию pthread_once, чтобы гарантировать, что функция pthread_key_create вызывается только первым потоком, вызвавшим функцию readline.

3. Функция readline вызывает функцию pthread_getspecific, чтобы получить значение pkey[1] («указатель» на рис. 26.3 для ключа, имеющего значение 1) для данного потока, но эта функция возвращает пустой указатель. Тогда функция readline вызывает функцию malloc для выделения памяти, которая необходима для хранения информации о каждом потоке при последовательных вызовах функции readline. Функция readline инициализирует эти области памяти по мере надобности и вызывает функцию pthread_setspecific, чтобы установить указатель собственных данных потока (pkey[1]), соответствующий данному ключу, на только что выделенную область памяти. Мы показываем этот процесс на рис. 26.4, предполагая, что вызывающий поток — это поток с номером 0 в данном процессе.

Рис. 26.4. Соответствие между областью памяти, выделенной функцией malloc, и указателем собственных данных потока

На этом рисунке мы отмечаем, что структура Pthread поддерживается системой (вероятно, библиотекой потоков), но фактически собственные данные потока, которые мы размещаем в памяти с помощью функции malloc, поддерживаются нашей функцией (в данном случае readline). Все, что делает функция pthread_setspecific, — это установка указателя для данного ключа в структуре Pthread на выделенную область памяти. Аналогично, действие функции pthread_getspecific сводится к возвращению этого указателя.

4. Другой поток, например поток с номером n, вызывает функцию readline, возможно, в тот момент, когда поток с номером 0 все еще находится в стадии выполнения функции readline.

Функция readline вызывает функцию pthread_once, чтобы инициализировать ключ этого элемента собственных данных, но так как эта функция уже была однажды вызвана, то больше она не выполняется.