{{indexmenu_n>12}}
====== Lab 12 - Vícevláknové aplikace  ======

  * Pro vyučující: [[courses:bab36prga:internal:tutorialinstruction:12|]]
 /* * [[https://docs.google.com/presentation/d/1HBgUYFCPfGIcYmHjLGuv74sXHcbvkpbi0NkpThGVVVE/edit?usp=sharing|Prezentace pro cvičení ]] */

<WRAP center round download 70%> {{ :courses:bab36prga:labs:prga-lab12-sources.zip |Výchozí soubory prga-lab12-sources.zip}}\\
{{ :courses:bab36prga:lectures:bab36prga-lec11-codes.zip |}}
</WRAP>


===== Procvičovaná téma =====

   * Opakování vláken (pthread)
   * Implemetace vícevláknové aplikace
   * Implementace vícevláknové aplikace s meziprocesovou komunikací ''MPA''.


Cílem cvičení je implementovat program s více paralelně běžícími vlákny z přednášky [[courses:bab36prga:lectures:start#vicevlaknove_programovani_modely_aplikaci_posix_vlakna_c11_vlakna|lec11]] a následně jej rozšířit do  programu ovládající jinou aplikaci prostřednictvím komunikace pojmenovanou rourou, viz [[courses:bab36prga:labs:lab10|Lab 10 - Meziprocesová komunikace]].

===== Implemetace vícevláknové aplikace =====

Můžeme využít výchozí soubor ''main.c'' ve kterém máme připraveny funkce pro tři různá vlákna:

  - ''input_thread()'' je vlákno zpracování vstupu (čtení stiknuté klávesy);
  - ''output_thread()'' je vlákno aktualizující výstup (jednořádkový);
  - ''alarm_thread()'' je vlákno časovače, který po uplynutí definované periody zvýší hodnotu proměnné (čítače).

Perioda časovače může být nastavována uživatelem, stiskem definovaných kláves. Použití vláken je založeno na knihovně ''pthread'' (POSIX threads) a příklad demonstruje použití základních konstrukcí ''pthread'' knihovny.

<note important>Úkol na cvičení je implementace aplikace z přednášky [[courses:bab36prga:lectures:start#vicevlaknove_programovani_modely_aplikaci_posix_vlakna_c11_vlakna|lec11]], kterou lze přímo použít. Nicméně postupná a samostatná implementace umožní pochopit principy. </note>



==== Úkoly ====

  * Použijte bloky z minulého cvičení pro vytvoření aplikace se třemi vlákny. Ve skutečnosti bude mít aplikace vlákna 4, včetně hlavního vlákna ''main()'' funkce.
  * Přidejte jméno (textový řetězec) identifikující každé vlákno: "Input", "Output", and "Alarm".
  * "Alarm" vlákno inkrementálně zvyšuje hodnotu čítače po uplynutí definové periody.
  * Použijte pole a datové struktury, které umožní zautomatizovat správu vláken v cyklech, například pole.
  * Program bude reagovat na následující stisk kláves:
      * 'q' - ukončí program tak, že všechna vlákna budou korektně ukončena, tj. vyskočí z příslušných cyklech hlavního těla vlákna;
      * 'r' - sníží periodu pro inkrementaci čítače o 10 ms;
      * 'p' - zvýší periodu pro inkrementaci čítače o 10 ms.
  * Minimální hodnota periody je 10 ms.
  * Maximální hodnota periody je 2000 ms.
  * Výstup programu je jeden řádek ve tvaru <code c>"\rAlarm period: %10i   Alarm counter: %10i"</code>
 
Pro čtení kláves bez nutnosti potvrzovat ''Enter'' přepněte terminál do ''raw'' režimu, například tak, jak bylo prezentována v přednášce [[courses:bab36prga:lectures:start#vicevlaknove_programovani_modely_aplikaci_posix_vlakna_c11_vlakna|lec11]].
++++ Například funkce call_termios()|
<code c>
void call_termios(int reset)
{
   static struct termios tio, tioOld;
   tcgetattr(STDIN_FILENO, &tio);
   if (reset) {
      tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &tioOld);
   } else {
      tioOld = tio; //backup 
      cfmakeraw(&tio);
      tcsetattr(STDIN_FILENO, TCSANOW, &tio);
   }
}
</code>
++++

++++ Použijte strukturu pro zapouzdření proměnných sdílených jednotlivými vlákny.|
<code c>
typedef struct {
   int alarm_period;
   int alarm_counter;
   bool quit;
   pthread_mutex_t *mtx; // avoid global variables for mutex and
   pthread_cond_t *cond; // conditional variable
} data_t; // data structure shared among the threads
</code>
++++

Použijte kritickou sekci (mutex) pro přístup ke sdíleným datům. ++++ Např. ve výstupním vlákně|
<code c>
      pthread_mutex_lock(&mtx);
      pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // wait for next event
      q = data->quit;
      printf("\rAlarm time: %10i   Alarm counter: %10i", data->alarm_period, data->alarm_counter);
      fflush(stdout);
      pthread_mutex_unlock(&mtx);
</code>
++++

++++ Nebo ve vlákně alarm_thread() při počátační incializaci lokálních proměnných |
<code c>
   pthread_mutex_lock(&mtx);
   bool q = data->quit;
   useconds_t period = data->alarm_period * 1000; // alarm_period is in ms
   pthread_mutex_unlock(&mtx);
</code>
++++

Použijte zasílání signálů pro komunikaci mezi vlákny a zabránění plýtvání výpočetním výkonem. Fakticky je nutné překreslit výstup ve vlákně (funkci) ''output_thread()'' pouze pokud došlo k nějaké změně, uživatelský vstup nebo zvýšení hodnoty čítače.

++++ Například ve vlákně alarm_thread() |
<code c>
   while (!q) {
      usleep(period); // calling usleep out of critical section!!!
      pthread_mutex_lock(&mtx);
      q = data->quit;
      data->alarm_counter += 1;
      period = data->alarm_period * 1000; // update the period is it has been changed
      pthread_cond_broadcast(&cond); // inform all waiting threads on cond.
      pthread_mutex_unlock(&mtx);
   }
</code>
++++ 

=== Tipy ===
  * Jelikož výstupní řádek není zakončen koncem řádku může být nutné explicitně vynutit výstup voláním ''flush'' na  ''stdout'' ve výstupním vlákně, např. jako <code c>fflush(stdout);</code>

  * Vytvořte novou globální proměnnou ''quit'' k indikaci, že program bude ukončen jakmile uživatel stiskne klávesu  ''Enter'' např.
<code c>
   bool quit = false;
   ...
   getchar();
   pthread_mutex_lock(&mtx);
   quit = true;
   pthread_mutex_unlock(&mtx);
   ...
</code>

===== Implemetace multiprocesové vícevláknové aplikace MPA =====

V další části cvičení pokračujte směrem k implementaci vícevláknová aplikace s meziprocesovou komunikací, realizovanou pojmenovanou rourou (vizte [[courses:bab36prga:labs:lab10|Lab 10]]). Program "//rozdělte//" na dva programy. 

  * ''mpa-alrm'' je program realizující vzdálený časovač.
  * ''mpa-ctrl'' je program ovládající //vzdálený// časovače, od kterého přijímá informace o uplynutí času.

Budeme uvažovat následující jednobajtovou komunikaci.

  * 'i' Může vyslat po startu, žádná reakce není očekávána. (''mpa-alrm'' → ''mpa-ctrl'')
  * 'e' Spuštění časovače (//enable//). (''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'')
  * 'd' Zastavení časovače (//disable//). (''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'')
  * 'p' Zvýšení periody časovače o 10 ms (''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'')
  * 'r' Snížení periody časovače o 10 ms (''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'')
  * 'x' Indikace uplynutí doby časovače (''mpa-alrm'' → ''mpa-ctrl'')
  * 'b' Indikace ukončení činnosti, program končí. (''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'')

Program ''mpa-ctrl'' reaguje je na stisk kláves 'e', 'd', 'p', 'r' definované komunikace. Dále reaguje na 
  * 'q' zasláním 'b' časovači a ukončením své činnosti.

Pojmenované roury mohou být například 
  * ''/tmp/mpa-alrm.in'' (komunikace ''mpa-alrm'' ← ''mpa-ctrl'') a 
  * ''/tmp/map-ctrl.in'' ''mpa-alrm'' → ''mpa-ctrl'').

++++Vytvoření pojmenovaných rour|
<code sh>
#!/bin/sh

in=/tmp/mpa-alrm.in
out=/tmp/mpa-ctrl.in

rm -rf $in $out
mkfifo $in
mkfifo $out
</code>
++++

V obou programech použijeme neblokující čtení/zápis z/do souboru prostřednictvím knihovny ''prg_io_nonblock.c''.


==== Další úkoly ====
  * Využijte tzv. barieru pro synchronizaci vláken po startu (''thread_barrier.c'').
  * Program ''mpa-ctrl'' rozšiřte o odhad akutálně nastavené period v aplikace ''mpa-alrm''. To lze realizovat výpočtem průměrem za nějaký definovaný interval, např. v samostatném vlákně s periodickým výpočtem za 5 sekund.