Как посмотреть потоки процесса в Linux
Потоки это популярная программная абстракция для параллельного выполнения в современных операционных системах. Когда программа делиться на потоки для много поточного выполнения, ресурсы такие как адресное пространство оперативной памяти и открытые файлы делятся между потоками чтобы минимизировать накладные расходы и более эффективно использовать процессорное время. Эти возможности делают потоки эффективным механизмом много поточного выполнения.
Для планировщика ядра потоки ничем не отличаются от обычных процессов которые имеют общие ресурсы. Поэтому для просмотра потоков можно использовать такие классические инструменты командной строки как ps и top. В этой статье мы поговорим о том как посмотреть потоки процесса Linux.
Потоки процессов в Linux
Сразу необходимо разобраться в том что же такое процессы и потоки в linux и чем они отличаются от друг от друга. В Linux есть два способа наладить многопоточное выполнение какого-либо действия. Первый, когда процесс создает свои копии с помощью механизма fork и затем эти процессы взаимодействуют через сокеты или IPC. Тогда мы получаем отдельные процессы, каждый процесс имеет свои ресурсы и занимает память. Второй же способ подразумевает выделение потоков в рамках одного процесса. Все протоки одного процесса будут иметь один идентификатор группы потоков, а также уникальный идентификатор потока. Они будут иметь доступ ко всем ресурсам родительского процесса и занимать меньше памяти.
1. Утилита ps
В утилите ps показ потоков процесса включается опцией -T. Например вот такой командой можно посмотреть все потоки процесса с PID, например, для Chromium:
В колонке SPID отображается идентификатор потока, а в CMD его имя.
2. Утилита top
Команда top позволяет просматривать потоки в реальном времени. Для включения отображения потоков запустите top с опцией -H. Также можно включить или отключить показ потоков во время выполнения с помощью клавиши H:
Если вы хотите посмотреть только потоки нужного процесса выполните:
3. Утилита htop
Ну и как всегда под конец самое интересное. Самой удобной утилитой для просмотра потоков процесса я считаю команду htop. Это основный на ncurces интерактивный просмотрщик процессов. С помощью этой утилиты вы можете наблюдать за потоками в реальном времени в виде дерева.
Для того чтобы включить просмотр потоков в htop откройте программу, войдите в меню нажав клавишу F2, затем выберите Display Options, в разделе Setup. Теперь отметьте Three view и Show custom thread names. Все, можно нажимать F10 для сохранения настроек:
Теперь вы можете просматривать потоки в виде дерева отдельно для каждого процесса. Здесь снова отображаются потоки для браузера Chromium:
Глава 12
В главе 11 вы видели, как обрабатываются процессы в ОС Linux (и конечно в UNIX). Эти средства обработки множественных процессов долгое время были характерной чертой UNIX-подобных операционных систем. Порой бывает полезно заставить одну программу делать два дела одновременно или, по крайней мере, создать впечатление такой работы. А может быть, вы хотите, чтобы несколько событий произошло одновременно и все они были тесно связаны, но при этом накладные расходы на создание нового процесса с помощью функции
В этой главе мы рассмотрим следующие темы:
□ создание новых потоков в процессе;
□ синхронизацию доступа к данным потоков одного процесса;
□ изменение атрибутов потока;
□ управление в одном и том же процессе одним потоком из другого.
Что такое поток?
Множественные нити исполнения в одной программе называют потоками. Более точно поток — это последовательность или цикл управления в процессе. Все программы, которые вы видели до настоящего момента, выполняли единственный процесс, хотя, как и многие другие операционные системы, ОС Linux вполне способна выполнять множественные процессы одновременно. В действительности у всех процессов есть как минимум один поток исполнения. У всех процессов, с которыми вы пока познакомились в этой книге, был только один поток исполнения.
Важно понять разницу между системным вызовом fork и созданием новых потоков. Когда процесс выполняет системный вызов fork, создается новая копия процесса с ее собственными переменными и собственным PID. Время выполнения этого нового процесса планируется независимо и выполняется он (в основном) независимо от создавшего его процесса. Когда мы создаем в процессе новый поток, этот поток исполнения в противоположность новому процессу получает собственный стек (и, следовательно, локальные переменные), но использует совместно с создавшим его процессом глобальные переменные, файловые дескрипторы, обработчики сигналов и положение текущего каталога.
Идея потоков была популярна какое-то время, но пока Комитет IEEE POSIX не опубликовал некоторые стандарты, потоки не были широко распространены в UNIX-подобных операционных системах и существовавшие реализации разных поставщиков сильно отличались друг от друга. С появлением стандарта POSIX 1003.1c все изменилось; потоки теперь не только лучше стандартизованы, но также реализованы в большинстве дистрибутивов Linux. В наше время многоядерные процессоры стали обычными даже в настольных компьютерах, так что у большинства машин есть низкоуровневая аппаратная поддержка, позволяющая им выполнять несколько потоков одновременно. Раньше при наличии одноядерных ЦПУ одновременное исполнение потоков было лишь изобретательной, хотя и очень эффективной иллюзией.
Впервые ОС Linux обзавелась поддержкой потоков около 1996 г. благодаря появлению библиотеки, которую часто называют «LinuxThreads» (потоки Linux). Она почти соответствует стандарту POSIX (на самом деле в большинстве случаев отличия не заметны) и стала важным шагом на пути первого применения потоков программистами Linux. Но между реализацией потоков в Linux и стандартом POSIX есть слабые расхождения, в основном касающиеся обработки сигналов. Ограничения накладываются не столько реализацией библиотеки, сколько низкоуровневой поддержкой ядра Linux.
Разные проекты рассматривали возможности улучшения поддержки потоков в Linux, касающиеся не только устранения слабых расхождений со стандартом POSIX, но и повышения производительности и удаления любых ненужных ограничений. Основная работа была направлена на поиск способов отображения потоков пользовательского уровня на потоки уровня ядра системы. Двумя главными проектами были New Generation POSIX Threads (NGPT, потоки POSIX нового поколения) и Native POSIX Thread Library (NPTL, библиотека истинных потоков POSIX). Оба проекта должны были внести изменения в ядро Linux, обеспечивающие поддержку новых библиотек, и оба предлагали существенное повышение производительности по сравнению с прежней реализацией потоков в Linux.
В 2002 г. команда NGPT объявила, что не хочет разделять сообщество и приостанавливает разработку новых средств для проекта NGPT, но продолжит работу по улучшению поддержки потоков в ОС Linux, присоединив свои усилия к стараниям NPTL. Библиотека NPTL стала новым стандартом для потоков в Linux, выпустив первую основную версию в дистрибутиве Red Hat Linux 9. Вы можете найти интересную основополагающую информацию о NPTL в статье «The Native POSIX Thread Library for Linux» («Библиотека истинных потоков POSIX для Linux») Ульриха Дреппера (Ulrich Drepper) и Инго Мольнара (Ingo Molnar), которая во время написания книги была доступна в Интернете по адресу http://people.redhat.com/drepper/nptl-design.pdf.
Большая часть программного кода из этой главы будет работать с любой библиотекой потоков, поскольку основана на стандарте POSIX, общем для всех библиотек потоков. Но вы сможете заметить небольшие отличия, если пользуетесь старой версией дистрибутива Linux, особенно когда примените команду
Достоинства и недостатки потоков
В определенных обстоятельствах создание нового потока обладает явно выраженными преимуществами по сравнению с созданием нового процесса. Накладные расходы при создании нового потока существенно меньше, чем при создании нового процесса (несмотря на то, что создание новых процессов в Linux очень эффективно по сравнению с другими операционными системами).
Далее перечислены некоторые достоинства потоков.
□ Иногда очень полезно создать программу, которая выполняет два дела одновременно. Классический пример — подсчет в режиме реального времени слов в документе в ходе редактирования текста. Один поток может управлять пользовательским вводом и выполнять редактирование. Другой, способный видеть то же содержимое документа, может непрерывно обновлять переменную-счетчик количества слов. Первый поток (или даже третий) может использовать эту переменную для информирования пользователя. Другой пример — многопоточный сервер базы данных, в котором единый наблюдаемый процесс обслуживает множество клиентов, улучшая общую пропускную способность за счет обслуживания одних запросов и одновременной блокировки других, ожидающих готовности диска. Серверу базы данных реализовать эту скрытую многозадачность в разных процессах очень трудно, т.к. требования блокировки и непротиворечивости данных приводят к тесной связи двух этих процессов. С помощью множественных потоков воплотить в жизнь этот алгоритм гораздо легче.
□ Производительность приложения, в котором смешаны ввод, вычисления и вывод, можно повысить, запустив эти операции как три отдельных потока. Пока поток ввода или вывода ждет подсоединения, один из оставшихся потоков может продолжить вычисления. Серверное приложение, обрабатывающее многочисленные сетевые подключения, также может подойти для организации программы с множественными потоками.
□ Сейчас, когда многоядерные ЦПУ обычны в настольных и портативных компьютерах, применение множественных потоков внутри процесса может при наличии подходящего приложения позволить одному процессу лучше использовать доступные аппаратные ресурсы.
□ Вообще переключение между потоками требует от операционной системы гораздо меньше усилий, чем переключение между процессами. Таким образом, множественные потоки гораздо менее требовательны к ресурсам, чем множественные процессы, и с ними гораздо практичнее выполнять в однопроцессорных системах программы, логика которых требует применения нескольких потоков исполнения. Считается, что трудности разработки при написании многопоточной программы весьма значительны, и это утверждение нельзя не принимать всерьез.
У потоков есть и недостатки.
□ Создание многопоточной программы требует очень тщательной разработки. Вероятность появления незначительных временных сбоев или ошибок, вызванных нечаянным совместным использованием переменных, в такой программе весьма значительна. Алан Кокс (Alan Сох, всеми уважаемый гуру Linux) сказал, что потоки равнозначны умению «выстрелить в обе собственные ноги одновременно».
□ Отладка многопоточной программы гораздо труднее, чем отладка одного потока исполнения, поскольку взаимосвязи потоков очень трудно контролировать.
□ Программа, в которой громоздкие вычисления разделены на две части, и эти две части выполняются как отдельные потоки, необязательно будет работать быстрее на машине с одним процессором, если только вычисление не позволяет выполнять обе ее части одновременно и у машины, на которой выполняется программа, нет многоядерного процессора для поддержки истинной многопоточности.
Первая программа с применением потоков
Существует целый ряд библиотечных вызовов, связанных с потоками, большинство имен которых начинается с префикса pthread. Для применения этих библиотечных вызовов вы должны определить макрос
Когда разрабатывались первые версии библиотечных подпрограмм UNIX и POSIX, предполагалось, что в каждом процессе будет только один поток исполнения. Яркий пример — переменная
Вам нужны реентерабельные подпрограммы. Реентерабельный программный код может вызываться несколько раз либо разными потоками, либо каким-то образом вложенными вызовами и при этом работать корректно. Следовательно, реентерабельная часть программного кода обычно должна применять локальные переменные таким образом, чтобы любой и каждый вызов кода получал собственную уникальную копию данных.
В многопоточных программах вы сообщаете компилятору, что вам нужно это средство, определяя в вашей программе макрос
□ Некоторые функции получают безопасный реентерабельный вариант прототипа или объявления. При этом имя функции остается обычно прежним, но в конце добавляется суффикс
□ Некоторые функции из файла stdio.h, которые обычно реализованы как макросы, становятся соответствующими реентерабельными безопасными функциями.
Включение файла pthread.h предоставляет другие прототипы и определения, которые нужны в вашем программном коде, во многом так же, как делает stdio.h для подпрограмм стандартного ввода и вывода. В заключение следует убедиться в том, что вы включили в программу соответствующий заголовочный файл потоков и скомпоновали программу с подходящей библиотекой потоков, в которой реализованы функции семейства
int pthread_create(pthread_t * thread, pthread_attr_t *attr,
Прототип выглядит внушительно, но функцию очень легко применять. Первый аргумент — указатель на переменную типа
Предыдущая строка просто говорит о том, что вы должны передать адрес функции, принимающей бестиповой указатель
Возвращаемое значение равно 0 в случае успеха и номеру ошибки, если что-то пошло не так. В интерактивном справочном руководстве есть подробная информация об ошибочных ситуациях для этой и других функций, применяемых в данной главе.
относится к тем немногим функциям Linux, которые не соблюдают соглашение об использовании значения -1 для обозначения ошибок. Если нет полной уверенности, всегда безопаснее всего дважды проверить справочное руководство перед проверкой кода возврата.
Когда поток завершается, он вызывает функцию