Cvičení 5 : Vlákna a synchronizace

Na tomto cvičení byste si měli vyzkoušet jak vytvořit vlákno v jazyce C s využitím knihovny pthread a jak vlákna synchronizovat tak, aby nedošlo k poškození dat se kterými se pracuje z více vláken.

Pro toto cvičení budete potřebovat znalosti o tom

• co jsou vlákna, mutexy a semafory,
• jak tyto prostředky vytvoříte v jazyce C s využitím knihovny pthread,
• jak se vlákna vytvářejí a ukončují,
• jaké problémy mohou nastávat při paralelním běhů vláken a
• jak psát programy tak, aby tyto problémy nenastaly.

Potřebná teorie byla vyložena na přednášce, včetně ukázek použití funkcí knihovny pthread. Před cvičením je doporučeno podívat se na manuálové stránky potřebných funkcí, zejména

• pthread_create, pthread_join,
• pthread_mutex_init, pthread_mutex_destroy, pthread_mutex_lock, pthread_mutex_unlock
• sem_init, sem_destroy, sem_wait, sem_post.

Implementujte vícevláknový program prod-cons splňující následující požadavky:

• V hlavním vlákně (funkce main()) se vytvoří jedno vlákno, kterému budeme říkat producent a dále N vláken konzument.
• Hodnota N bude zadávána jako parametr při spouštění programu (argv[1]). Pokud žádný parametr nebude zadán, bude N rovno 1.
• Předpokládejte, že N bude v rozmezí 1 až počet CPU v systému (sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN)). Pokud bude zadána jiná hodnota, program skončí s návratovým kódem 1.
• Producent bude splňovat následující:
  • Bude číst ze standardního vstupu “příkazy” ve formě dvojic “<X> <slovo>”, kde <X> je celé nezáporné číslo a <slovo> je libovolná neprázdná sekvence znaků (kromě whitespace). X od slova může, ale nemusí, být odděleno bílými znaky (whitespace), jednotlivé příkazy jsou od sebe vždy odděleny jedním či více bílými znaky (mezera, konec řádku). Délka slova je omezená pouze velikostí dostupné paměti.
    • K načítání příkazů doporučujeme použít následující kód:

      int ret, x;
      char *text;
      while ((ret = scanf("%d %ms", &x, &text)) == 2) {
          ...
      }

      Direktiva %ms (malloc string) způsobí, že scanf dynamicky alokuje takové množství paměti, které je potřeba pro uložení načítaného slova. Nezapomeňte potom tuto paměť uvolnit funkcí free().
  • Pokud bude zadán neplatný příkaz (tj. neodpovídající předchozímu bodu), program skončí s návratovým kódem 1.
  • Pro každý přečtený příkaz dynamicky alokuje (malloc(), new, …) datovou strukturu, uloží do ní X a slovo a zařadí jí na konec spojového seznamu.
• Každý konzument bude splňovat následující:
  • Bude ze začátku spojového seznamu vybírat položky vkládané producentem.
  • Pokud v seznamu žádná položka není, bude čekat, až tam producent něco přidá (bez spotřeby výpočetního času, žádný polling).
  • Pokud producent přidá P položek, vzbudí se maximálně P konzumentů, ostatní budou dále čekat.
  • Pro každou vyzvednutou položku konzument vypíše na standardní výstup řetězec “Thread n: slovo slovo slovo…”, kde n je číslo konzumenta (pořadí vytvoření konzumenta v rozsahu 1–N) a slovo se opakuje X-krát (informace od producenta). Tento řetězec bude celý na jedné řádce ukončené \n.
• Pouze producent bude číst ze standardního vstupu.
• Pouze konzumenti budou zapisovat na standardní výstup.
• Standardní chybový výstup můžete použít k ladícím výpisům.
• Uzavření standardního vstupu je požadavkem na ukončení programu. Pokud není řečeno jinak, návratový kód bude 0.
• Všechny platné “příkazy” zaslané na standardní vstup budou mít odpovídající řádku na standardním výstupu (nic se neztratí).
• Žádné čekání ve vašem programu by nemělo být implementováno formou pollingu (periodická kontrola, že se něco stalo).
• Program před ukončením dealokuje všechnu dynamicky alokovanou paměť.

Do odevzdávacího systému nahrajte svůj zdrojový kód a Makefile, který vygeneruje program prod-cons ve stejném adresáři jako Makefile. Program překládejte s příznaky -Wall -g -O2 a navíc s příznaky v proměnné EXTRA_CFLAGS (evaluátor ji bude nastavovat podle potřeby). Pokud tato proměnná není definována na příkazové řádce make, nastavte její hodnotu na “-fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer” (viz např. operátor ''?=''). Pokud provádíte překlad a linkování odděleně, používejte příznaky v EXTRA_CFLAGS také při linkování.

Překladač nesmí generovat žádná varování.

Nastudujte si použití podmínkový proměnných a k tomu příslušné funkce v knihovně pthread:

• pthread_cond_init
• pthread_cond_destroy
• pthread_cond_signal
• pthread_cond_broadcast
• pthread_cond_wait