Programowanie współbieżne w Linuxie: Wprowadzenie do wątków i procesów

Redakcja 3 października 2024

Programowanie współbieżne to dziedzina programowania, która zajmuje się pisaniem programów, które mogą wykonywać wiele zadań jednocześnie. Jest to niezbędne w wielu nowoczesnych aplikacjach, takich jak przeglądarki internetowe, serwery i gry komputerowe.

Programowanie współbieżne w Linuxie: Wprowadzenie do wątków i procesów

W Linuxie istnieje kilka sposobów na programowanie współbieżne. W tym poradniku przyjrzymy się dwóm podstawowym mechanizmom: wątkom i procesom.

Wątki

Wątek to jednostka wykonywania, która może współdzielić zasoby z innymi wątkami w tym samym procesie. Wątki są lekkie w porównaniu do procesów, ponieważ nie posiadają własnego adresu przestrzeni, nie muszą kopiować stanu procesu ani uruchamiać systemu operacyjnego.

Aby utworzyć wątek w języku C, możemy użyć funkcji pthread_create(). Funkcja ta przyjmuje następujące argumenty:

pthread_t *thread: Wskaźnik na zmienną, w której zostanie zwrócony identyfikator wątku.
const pthread_attr_t *attr: Opcjonalne atrybuty wątku.
void *(*start_routine)(void *): Wskaźnik na funkcję, która będzie wykonywana przez wątek.
void *arg: Argument przekazywany do funkcji wątku.

Na przykład, następujący kod tworzy wątek, który wyświetla napis „Wątek 1”:

#include <pthread.h>

void *thread_func(void *arg) {
  printf("Wątek 1\n");
  return NULL;
}

int main() {
  pthread_t thread;
  pthread_create(&thread, NULL, thread_func, NULL);
  pthread_join(thread, NULL);
  return 0;
}

Procesy

Proces to jednostka wykonywania, która posiada własne zasoby, takie jak adres przestrzeni, stos, rejestry i pliki otwarte. Procesy są niezależne od siebie i nie mogą współdzielić danych ani kodu.

Aby utworzyć proces w języku C, możemy użyć funkcji fork(). Funkcja ta kopiuje bieżący proces, tworząc nowy proces o identyfikatorze potomnym.

Na przykład, następujący kod tworzy proces potomny, który wyświetla napis „Proces 2”:

#include <unistd.h>

int main() {
  int pid = fork();
  if (pid == 0) {
    printf("Proces 2\n");
    exit(0);
  }
  return 0;
}

Porównanie wątków i procesów

Wątki mają następujące zalety w stosunku do procesów:

Są lekkie i wymagają mniej zasobów systemowych.
Mogą współdzielić zasoby z innymi wątkami w tym samym procesie.
Są łatwiejsze do synchronizacji niż procesy.

Czytaj Jak tworzyć i rozpakowywać pliki ZIP, TAR i TAR.GZ w systemie Linux

Wątki mają jednak również następujące wady:

Mogą powodować problemy z synchronizacją, jeśli nie są poprawnie zaprojektowane.
Mogą być trudne do debugowania, ponieważ wątki mogą wykonywać się jednocześnie.

Procesy mają następujące zalety w stosunku do wątków:

Są bezpieczniejsze w przypadku problemów z synchronizacją.
Są łatwiejsze do debugowania, ponieważ procesy wykonują się sekwencyjnie.

Procesy mają jednak również następujące wady:

Są cięższe i wymagają więcej zasobów systemowych.
Nie mogą współdzielić zasobów z innymi procesami.

Podsumowanie

Wątki i procesy są dwoma podstawowymi mechanizmami programowania współbieżnego w Linuxie. Wątki są lekkie i łatwe do użycia, ale mogą powodować problemy z synchronizacją. Procesy są bezpieczniejsze i łatwiejsze do debugowania, ale są cięższe i wymagają więcej zasobów systemowych.

Ważne jest, aby wybrać odpowiedni mechanizm programowania współbieżnego dla danego zadania. Jeśli zadanie wymaga wykonywania wielu zadań jednocześnie, ale nie wymaga bezpiecznego dostępu do danych, to wątki mogą być dobrym wyborem. Jeśli zadanie wymaga bezpiecznego dostępu do danych lub jest wykonywane przez wiele procesorów, to procesy mogą być lepszym rozwiązaniem.