Νήματα POSIX

Τα νήματα POSIX, που συνήθως αναφέρονται σαν Pthreads, είναι η υλοποίηση της τυποποίησης POSIX για νήματα. Το πρότυπο POSIX.1c, Threads extensions (IEEE Std 1003.1c-1995) είναι αυτό που ορίζει το προγραμματιστικό περιβάλλον (API) για δημιουργία και τροποποίηση νημάτων.

Υλοποίηση του POSIX API υπάρχει σε πολλά λειτουργικά συστήματα τύπου Unix όπως FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, GNU/Linux, Mac OS X and Solaris. Στα Microsoft Windows και το DR-DOS υπάρχει υλοποίηση του POSIX API, όπως η βιβλιοθήκη pthreads-w32, η οποία υλοποιεί τα pthreads πάνω στο υπάρχον API των Windows.

Περιγραφή 
Το pthreads είναι μια σειρά δομών δεδομένων, σταθερών και συναρτήσεων σε γλώσσα προγραμματισμού C. Υπάρχει το αρχείο επικεφαλίδας (header) pthread.h και η βιβλιοθήκη thread.

Υπάρχουν περίπου 100 συναρτήσεις για Pthreads. Όλες ξεκινάνε με το όνομα "pthread_" και μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τέσσερις ομάδες:

 Διαχείριση νημάτων - δημιουργία, ενώσεις (joining) κλπ.
 Mutexes
 Μεταβλητές ελέγχου.
 Συγχρονισμός μεταξύ νημάτων χρησιμοποιώντας τεχνικές κλειδώματος, διαβάσματος/γραψίματος κρίσιμης περιοχής.

Το POSIX API σεμαφόρων (semaphores) λειτουργεί με τα POSIX νήματα αλλά δεν είναι μέρος του στάνταρντ POSIX νημάτων καθώς ορίζεται από το ξεχωριστό στάνταρντ POSIX.1b, Real-time extensions (IEEE Std 1003.1b-1993). Οι συναρτήσεις του API των σεμαφόρων ξεκινάνε με το όνομα "sem_" αντί του "pthread_".

Παράδειγμα 
Σε παρακάτω παράδειγμα στην C βλέπουμε την χρήστη της βιβλιοθήκης Pthreads:

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
 
#define NUM_THREADS     5
 
void *task_code(void *argument) {
   int tid;
 
   tid = *((int *) argument);
   printf("Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα %d!\n", tid);
 
   /* προαιρετικό: μέρος για πιο χρήσιμο εκτελέσιμο κώδικα */
 
   return NULL;
}
 
int main(void) {
   pthread_t threads[NUM_THREADS];
   int thread_args[NUM_THREADS];
   int rc, i;
 
   // δημιουργία όλων των διεργασιών μια προς μια
   for (i=0; i<NUM_THREADS; ++i) {
      thread_args[i] = i;
      printf("Στην main: δημιουργώ το νήμα %d\n", i);
      rc = pthread_create(&threads[i], NULL, task_code, (void *) &thread_args[i]);
      assert(0 == rc);
   }
 
   // περίμενε κάθε νήμα να τελειώσει
   for (i=0; i<NUM_THREADS; ++i) {
      // μπλοκάρισε μέχρι να τελειώσει το νήμα i 
      rc = pthread_join(threads[i], NULL);
      printf("Στην main: νήμα %d ολοκληρώθηκε\n", i);
      assert(0 == rc);
   }
 
   printf("Στην main: Όλα τα νήματα τελείωσαν με επιτυχία!\n");
   exit(EXIT_SUCCESS);
}

Αυτό το πρόγραμμα δημιουργεί πέντε νήματα όπου το κάθε νήμα εκτελεί την συνάρτηση task_code η οποία τυπώνει το μοναδικό αριθμό που έχει το νήμα. Αν ο προγραμματιστής ήθελε τα νήματα να επικοινωνούν το ένα με το άλλο θα έπρεπε να ορίσει μια κοινή μεταβλητή μέσα στο κώδικα. Κατά την εκτέλεση του παραπάνω προγράμματος βγάζει τα μηνύματα (η σειρά εμφάνισης των μηνυμάτων διαφέρει σε κάθε ξεχωριστή εκτέλεση μιας και τα νήματα τρέχουν παράλληλα).

$ gcc threads_hello_world.c -lpthread -o threads_hello_world 
$ ./threads_hello_world 
Στην main: δημιουργώ το νήμα 0
Στην main: δημιουργώ το νήμα 1
Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα 0!
Στην main: δημιουργώ το νήμα 2
Στην main: δημιουργώ το νήμα 3
Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα 1!
Στην main: δημιουργώ το νήμα 4
Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα 3!
Στην main: νήμα 0 ολοκληρώθηκε
Στην main: νήμα 1 ολοκληρώθηκε
Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα 2!
Στην main: νήμα 2 ολοκληρώθηκε
Στην main: νήμα 3 ολοκληρώθηκε
Γεια σου Κόσμε! Είμαι το νήμα 4!
Στην main: νήμα 4 ολοκληρώθηκε
Στην main: Όλα τα νήματα τελείωσαν με επιτυχία!

Νήματα POSIX στα Windows 

Τα Windows δεν υποστηρίζουν εγγενώς το πρότυπο των POSIX threads (pthreads) και για το λόγο αυτό υπάρχει το εγχείρημα Pthreads-w32 όπου γίνεται προσπάθεια να υλοποιηθεί μια λύση ανοικτού λογισμικού. Η βιβλιοθήκη αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταγλωττιστεί λογισμικό που τρέχει σε Unix (και χρησιμοποιεί pthreads) με ελάχιστη τροποποίηση στην πλατφόρμα των windows. Με κάποιες προσθήκες η τελευταία έκδοση της βιβλιοθήκης (2.8.0 - 2.9.0) είναι συμβατή και με την έκδοση 64-bit των Windows.

Επίσης το εγχείρημα mingw-w64 περιέχει μια άλλη υλοποίηση των pthreads και winpthreads, όπου γίνεται προσπάθεια να καλούνται κατευθείαν κλήσεις συστήματος σε αντιπαραβολή με το εγχείρημα Pthreads-w32 το οποίο τρέχει πάνω από το API των Windows 

Το περιβάλλον Interix είναι υποσύστημα των υπηρεσιών Unix των Windows και παρέχει κατευθείαν κλήσεις λειτουργικού συστήματος (χρήση της κλήσης συστήματος) για υποστήριξη pthreads API.

Παραπομπές

Βιβλιογραφία

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 The Open Group Base Specifications Issue 7, IEEE Std 1003.1

Νήματα