Lab 12 - Vícevláknové aplikace

• Pro vyučující: 12

• 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 lec11 a následně jej rozšířit do programu ovládající jinou aplikaci prostřednictvím komunikace pojmenovanou rourou, viz Lab 10 - Meziprocesová komunikace.

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

1. input_thread() je vlákno zpracování vstupu (čtení stiknuté klávesy);
2. output_thread() je vlákno aktualizující výstup (jednořádkový);
3. 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.

• 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

  "\rAlarm period: %10i   Alarm counter: %10i"

Pro čtení kláves bez nutnosti potvrzovat Enter přepněte terminál do raw režimu, například tak, jak bylo prezentována v přednášce lec11.

Například funkce call_termios()

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);
   }
}

Použijte strukturu pro zapouzdření proměnných sdílených jednotlivými vlákny.

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

Použijte kritickou sekci (mutex) pro přístup ke sdíleným datům.

Např. ve výstupním vlákně

      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);

Nebo ve vlákně alarm_thread() při počátační incializaci lokálních proměnných

   pthread_mutex_lock(&mtx);
   bool q = data->quit;
   useconds_t period = data->alarm_period * 1000; // alarm_period is in ms
   pthread_mutex_unlock(&mtx);

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()

   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);
   }

• Jelikož výstupní řádek není zakončen koncem řádku může být nutné explicitně vynutit výstup voláním flush na stdout ve výstupním vlákně, např. jako

  fflush(stdout);

• Vytvořte novou globální proměnnou quit k indikaci, že program bude ukončen jakmile uživatel stiskne klávesu Enter např.

   bool quit = false;
   ...
   getchar();
   pthread_mutex_lock(&mtx);
   quit = true;
   pthread_mutex_unlock(&mtx);
   ...

V další části cvičení pokračujte směrem k implementaci vícevláknová aplikace s meziprocesovou komunikací, realizovanou pojmenovanou rourou (vizte 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

#!/bin/sh
 
in=/tmp/mpa-alrm.in
out=/tmp/mpa-ctrl.in
 
rm -rf $in $out
mkfifo $in
mkfifo $out

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

• 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.