Уильям Стивенс - UNIX - разработка сетевых приложений

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 readlineэто 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 Keyуказывает, 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_createдля создания нового элемента собственных данных потока, система отыскивает в массиве структур Keyпервую 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.