2021q1 Homework4 (quiz4)

contributed by < Shanola >

測驗 1

POSIX Thread (pthread) API 認識

透過 pthread 可以實現並行化的程式，對於多核或多處理器的系統中可以平行化或分散式執行，進而提高程式效能。相較於透過 forking 來產生的行程不必再配置記憶空間而是共享一個行程的資源。

Thread(執行緒) 的操作有 建立 終止 同步 排程 資料管理 行程互動：

• pthread_create() 建立新的執行緒，成功時回傳 0，反之回傳錯誤值。

  ​​​​int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
  ​​​​void pthread_exit(void *retval);
  

  將執行緒終止的方式有幾種：

  1. 在行程中呼叫 pthread_exit()
  2. 在執行緒中 return
  3. 在行程中呼叫 pthread_cancel()
  4. 在行程中呼叫 exit() 或 return，這會終止所有 thread

  透過傳入 pthread_exit() 的參數 retval 可以用在 pthread_join()

• pthread_cancel() 取消執行緒，成功時回傳 0，反之錯誤值。

  ​​​​int pthread_cancel(pthread_t thread);
  ​​​​int pthread_setcancelstate(int state, int *oldstate);
  ​​​​int pthread_setcanceltype(int type, int *oldtype);
  ​​​​void pthread_testcancel(void);
  

  而一個執行緒的 cancelability state 由 pthread_setcancelstate() 決定，具有兩種 states：

  • enable(預設) - PTHREAD_CANCEL_ENABLE
  • disable - PTHREAD_CANCEL_DISABLE

  收到 cancellation request 的執行緒狀態若為 disable，會 block 直到狀態改為 enable。
  當 cancellation 發生後，type 由 pthread_setcanceltype() 決定，具有兩種 types：

  • deferred(預設) - PTHREAD_CANCEL_DEFFERED
    意思是收到取消請求的執行緒會等到呼叫下一個 function (cancellation point) 才會被 canceled。
  • asynchronous - PTHREAD_CANCEL_ASYNCHRONOUS

  呼叫 pthread_testcancel() 可以給執行緒一個 cancellation point，讓執行可以趕緊回應 cancellation request，如果執行緒的 state 為 disable 或沒有 request，則這個函式不會有效果。

• pthread_join() 等待執行緒終止，將其合併回行程，成功時回傳 0，反之錯誤值。

  ​​​​int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
  

  只有 joinable 的執行緒可以使用這個函式，若 retval 不是 NULL，則 pthread_join 會複製該目標執行緒的 exit status 到 retval，譬如執行緒被 calceled，retval 指向的值會是 PTHREAD_CANCELED。
  若有多個執行緒同時 join，results 未定義。

• pthread_mutex_t Mutex (互斥鎖) 相關的函式，成功時回傳 0，反之錯誤值。

  ​pthread_mutex_t mutex;
  ​int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); /* equal to pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER */
  ​int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  ​​​​int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  ​​​​int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  ​int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
  

  透過 pthread_mutex_lock() / pthread_mutex_trylock() 及 pthread_mutex_unlock() 包住想要鎖住的程式，建立互斥鎖的目的是限制執行緒同時訪問相同資源，避免預期之外的結果(race conditions)。當鎖已經被一個執行緒 locked，其他想要 lock 該鎖的執行緒會被 blocked 直到鎖可以被使用。
  pthread_mutex_destory()可以摧毀鎖，摧毀後的鎖指向的值是 undefined，若要使用需要再次 pthread_mutex_init()。
  摧毀 unlock 的鎖是安全的，摧毀 locked 或有執行緒在嘗試 lock 或是鎖被其他執行緒用在 pthread_cond_timedwait 或 pthread_cond_wait 時的結果是 undefined behavior。

• pthread_cond_t Condition variable 相關的函式

  ​pthread_cond_t cond;
  ​int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr); /* equal to pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER */
  ​int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
  ​int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, thread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
  ​​​​int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
  ​int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  ​int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
  

  透過 pthread_cond_init() / pthread_cond_destroy() 來建立或摧毀 condition variable，後者是用來等待或稍後處理某些事情，其機制是讓執行緒暫停或放棄使用處理器直到某些條件達成，它總是搭配 mutex 使用以避免 deadlock 發生。
  呼叫 pthread_cond_wait() / pthread_cond_timedwait() 的執行緒會 release mutex（這將使得其他執行緒得以取得鎖來行操作），並 block 在 condition variable 上，直到呼叫 pthread_cond_broadcast() / pthread_cond_signal() 後才會被喚醒。

• pthread_condattr_t Condition variable attributes object

  ​int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr);
  ​​​​int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);
  

  用來建立 condition variable attribute object，然後使用在 pthread_cond_init() 來建立 condition variables。

• Thread-cancellation clean-up handlers

  ​void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
  ​​​​void pthread_cleanup_pop(int execute);
  

  Clean-up handler 可以使執行緒被 canceled 時自動執行的 function，譬如可以將已經 canceled (或其他情況) 的執行緒做 unlock，因為在執行緒如果在 locked 時被 canceled 了，會導致 pthread_join 一直 wait，除非把它 unlock。
  pthread_cleanup_push() 會將 routine 丟到 clean-up handler 的 stack 的 top，並以 arg 作為參數傳入，透過 pthread_clean_pop() 則可移除 stack 的 top

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