POSIX Threads

POSIX Threads — стандарт POSIX-реализации потоков (нитей) выполнения. Стандарт POSIX.1c, Threads extensions (IEEE Std 1003.1c-1995) определяет API для управления потоками, их синхронизации и планирования.

Реализации данного API существуют для большого числа UNIX-подобных ОС (GNU/Linux, Solaris, FreeBSD, OpenBSD, NetBSD, OS X), а также для Microsoft Windows и других ОС.

Библиотеки, реализующие этот стандарт (и функции этого стандарта), обычно называются Pthreads (функции имеют приставку «pthread_»).

Pthreads определяет набор типов и функций на языке программирования Си. Заголовочный файл — pthread.h.

• Типы данных:
  • pthread_t: дескриптор потока;
  • pthread_attr_t: перечень атрибутов потока;
  • pthread_barrier_t: барьер;
  • pthread_barrierattr_t: атрибуты барьера;
  • pthread_cond_t: условная переменная;
  • pthread_condattr_t: атрибуты условной переменной;
  • pthread_key_t: данные, специфичные для потока;
  • pthread_mutex_t: мьютекс;
  • pthread_mutexattr_t: атрибуты мьютекса;
  • pthread_rwlock_t: мьютекс с возможностью эксклюзивной блокировки;
  • pthread_rwlockattr_t: атрибуты этого мьютекса;
  • pthread_spinlock_t: спинлок;
• Функции управления потоками:
  • pthread_create(): создание потока.
  • pthread_exit(): завершение потока (должна вызываться функцией потока при завершении).
  • pthread_cancel(): отмена потока.
  • pthread_join(): подключиться к другому потоку и ожидать его завершения; поток, к которому необходимо подключиться, должен быть создан с возможностью подключения (PTHREAD_CREATE_JOINABLE).
  • pthread_detach(): отключиться от потока, сделав его при этом отдельным (PTHREAD_CREATE_DETACHED).
  • pthread_attr_init(): инициализировать структуру атрибутов потока.
  • pthread_attr_setdetachstate(): указывает параметр "отделимости" потока (detach state), который говорит о возможности подключения к нему (при помощи pthread_join) других потоков (значение PTHREAD_CREATE_JOINABLE) для ожидания окончания или о запрете подключения (значение PTHREAD_CREATE_DETACHED); ресурсы отдельного потока (PTHREAD_CREATE_DETACHED) при завершении автоматически освобождаются и возвращаются системе.
  • pthread_attr_destroy(): освободить память от структуры атрибутов потока (уничтожить дескриптор).
• Функции синхронизации потоков:
  • pthread_mutex_init(), pthread_mutex_destroy(), pthread_mutex_lock(), pthread_mutex_trylock(), pthread_mutex_unlock(): с помощью мьютексов.
  • pthread_cond_init(), pthread_cond_signal(), pthread_cond_wait(): с помощью условных переменных.

Пример использования потоков на языке C:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

void wait_thread (void);
void* thread_func (void*);

int main (int argc, char *argv[], char *envp[]) {
    pthread_t thread;
    if (pthread_create(&thread,NULL,thread_func,NULL)) return EXIT_FAILURE;
    for (unsigned int i = 0; i < 20; i++) {
        puts("a");
        wait_thread();
    }
    if (pthread_join(thread,NULL)) return EXIT_FAILURE;
    return EXIT_SUCCESS;
}

void wait_thread (void) {
    time_t start_time = time(NULL);
    while(time(NULL) == start_time) {}
}

void* thread_func (void* vptr_args) {
    for (unsigned int i = 0; i < 20; i++) {
        fputs("b\n",stderr);
        wait_thread();
    }
    return NULL;
}

Пример использования потоков на языке C++:

#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
    
class Thread {
public:
    int start () {
        return pthread_create( &_ThreadId, nullptr, Thread::thread_func, this );
    }
    int wait () {
        return pthread_join( _ThreadId, nullptr );
    }

protected:
    Thread() = default;
    Thread(const Thread&);

    virtual ~Thread () = default;
    virtual void run () = 0;

    static void* thread_func(void* d) {
        (static_cast <Thread*>(d))->run();
        return nullptr;
    }

private:
    pthread_t _ThreadId;
};

class TestingThread : public Thread {
public:
    TestingThread (const char* pcszText) : _pcszText( pcszText ) {}
    virtual void run () {
        for (unsigned int i = 0; i < 20; i++, usleep(1000)) std::cout << _pcszText << std::endl;
    }
protected:
    const char* _pcszText;
};

int main (int argc, char *argv[], char *envp[]) {
    TestingThread ThreadA("a");
    TestingThread ThreadB("b");
    return ThreadA.start() || ThreadB.start() || ThreadA.wait() || ThreadB.wait() ? EXIT_FAILURE : EXIT_SUCCESS;
}

Представленные программы используют два потока, печатающих в консоль сообщения, один, печатающий 'a', второй — 'b'. Вывод сообщений смешивается в результате переключения выполнения между потоками или одновременном выполнении на мультипроцессорных системах.

Отличие состоит в том, что программа на C создаёт один новый поток для печати 'b', а основной поток печатает 'a'. Основной поток (после печати 'aaaaa….') ждёт завершения дочернего потока.

Программа на C++ создаёт два новых потока, один печатает 'a', второй, соответственно, — 'b'. Основной поток ждёт завершения обоих дочерних потоков.

• Native POSIX Thread Library (NPTL)
• GNU Portable Threads
• Список многопоточных библиотек C++

• Статья «Объясняя потоки POSIX», Даниэля Роббинса (основателя проекта Gentoo)  (англ.)
• Интервью «10 вопросов Девиду Бутенхофу о параллельном программировании и потоках POSIX» с Майклом Суиссом  (англ.)
• The Open Group Base Specifications Issue 6, IEEE Std 1003.1 (англ.)
• Pthreads Presentation at 2007 OSCON (O’Reilly Open Source Convention) by Adrien Lamothe. An overview of Pthreads with current trends Архивная копия от 24 апреля 2013 на Wayback Machine (англ.)
• Установка библиотеки pthread.h в среде Visual Studio