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PTHREADS(7) Manuel du programmeur Linux PTHREADS(7)

pthreads - Threads POSIX

POSIX.1 décrit une série d'interfaces (fonctions et fichiers d'en‐têtes) pour la programmation multithread, couramment appelée threads POSIX, ou pthreads. Un unique processus peut contenir plusieurs threads, qui exécutent tous le même programme. Ces threads partagent la même mémoire globale (segments de données et tas), mais chaque thread a sa propre pile (variables automatiques).

POSIX.1 requiert aussi que les threads partagent une série d'autres attributs (ces attributs sont par processus, plutôt que par thread) :

  • identifiant de processus (PID)
  • identifiant de processus père (PPID)
  • identifiant de groupe de processus (PGID) et identifiant de session (SID)
  • terminal de contrôle
  • identifiants d'utilisateur et de groupe
  • descripteurs de fichier ouverts
  • verrouillages d'enregistrements (consultez fcntl(2))
  • gestion de signaux
  • masque de création de fichier (umask(2))
  • répertoire de travail (chdir(2)) et répertoire racine (chroot(2))
  • temporisations d'intervalle (setitimer(2)) et temporisations POSIX (timer_create(2))
  • valeur de politesse (setpriority(2))
  • limites de ressources (setrlimit(2))
  • mesures de consommation de temps CPU (times(2)) et de ressources (getrusage(2))

En plus de la pile, POSIX.1 indique que plusieurs autres attributs sont distincts pour chaque thread, dont les suivants :

  • identifiant de thread (le type de donnée pthread_t)
  • masque de signaux (pthread_sigmask(3))
  • la variable errno
  • pile spécifique de signal (sigaltstack(2))
  • politique et priorité d'ordonnancement temps-réel (sched(7))

Les caractéristiques spécifiques à Linux suivantes sont également distinctes pour chaque thread :

Most pthreads functions return 0 on success, and an error number on failure. Note that the pthreads functions do not set errno. For each of the pthreads functions that can return an error, POSIX.1-2001 specifies that the function can never fail with the error EINTR.

Each of the threads in a process has a unique thread identifier (stored in the type pthread_t). This identifier is returned to the caller of pthread_create(3), and a thread can obtain its own thread identifier using pthread_self(3).

Thread IDs are guaranteed to be unique only within a process. (In all pthreads functions that accept a thread ID as an argument, that ID by definition refers to a thread in the same process as the caller.)

The system may reuse a thread ID after a terminated thread has been joined, or a detached thread has terminated. POSIX says: "If an application attempts to use a thread ID whose lifetime has ended, the behavior is undefined."

Une fonction sûre du point de vue des threads est une fonction qui peut être appelée en toute sûreté (c'est-à-dire qu'elle renverra le même résultat d'où qu'elle soit appelée) par plusieurs threads en même temps.

POSIX.1-2001 et POSIX.1-2008 exigent que toutes les fonctions indiquées dans la norme soient sûres du point de vue des threads, excepté les fonctions suivantes :


asctime()
basename()
catgets()
crypt()
ctermid() avec un paramètre non NULL
ctime()
dbm_clearerr()
dbm_close()
dbm_delete()
dbm_error()
dbm_fetch()
dbm_firstkey()
dbm_nextkey()
dbm_open()
dbm_store()
dirname()
dlerror()
drand48()
ecvt() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
encrypt()
endgrent()
endpwent()
endutxent()
fcvt() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
ftw()
gcvt() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
getc_unlocked()
getchar_unlocked()
getdate()
getenv()
getgrent()
getgrgid()
getgrnam()
gethostbyaddr() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
gethostbyname() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
gethostent()
getlogin()
getnetbyaddr()
getnetbyname()
getnetent()
getopt()
getprotobyname()
getprotobynumber()
getprotoent()
getpwent()
getpwnam()
getpwuid()
getservbyname()
getservbyport()
getservent()
getutxent()
getutxid()
getutxline()
gmtime()
hcreate()
hdestroy()
hsearch()
inet_ntoa()
l64a()
lgamma()
lgammaf()
lgammal()
localeconv()
localtime()
lrand48()
mrand48()
nftw()
nl_langinfo()
ptsname()
putc_unlocked()
putchar_unlocked()
putenv()
pututxline()
rand()
readdir()
setenv()
setgrent()
setkey()
setpwent()
setutxent()
strerror()
strsignal() [Ajoutée dans POSIX.1-2008]
strtok()
system() [Ajoutée dans POSIX.1-2008]
tmpnam() avec un paramètre non NULL
ttyname()
unsetenv()
wcrtomb() si son dernier paramètre est NULL
wcsrtombs() si son dernier paramètre est NULL
wcstombs()
wctomb()

Une fonction pour annulations sûres asynchrones peut être appelée sans risque dans une application où l'état d'annulation est activé (consultez pthread_setcancelstate(3)).

POSIX.1-2001 et POSIX.1-2008 exigent que seules les fonctions suivantes soient pour annulations sûres asynchrones :


pthread_cancel()
pthread_setcancelstate()
pthread_setcanceltype()

POSIX.1 spécifie que certaines fonctions doivent, et certaines autres fonctions peuvent, être des points d'annulation. Si un thread est annulable, que son type d'annulation est retardé (« deferred ») et qu'une demande d'annulation est en cours pour ce thread, alors le thread est annulé quand il appelle une fonction qui est un point d'annulation.

POSIX.1-2001 et/ou POSIX.1-2008 exigent que les fonctions suivantes soient des points d'annulation :


accept()
aio_suspend()
clock_nanosleep()
close()
connect()
creat()
fcntl() F_SETLKW
fdatasync()
fsync()
getmsg()
getpmsg()
lockf() F_LOCK
mq_receive()
mq_send()
mq_timedreceive()
mq_timedsend()
msgrcv()
msgsnd()
msync()
nanosleep()
open()
openat() [Ajoutée dans POSIX.1-2008]
pause()
poll()
pread()
pselect()
pthread_cond_timedwait()
pthread_cond_wait()
pthread_join()
pthread_testcancel()
putmsg()
putpmsg()
pwrite()
read()
readv()
recv()
recvfrom()
recvmsg()
select()
sem_timedwait()
sem_wait()
send()
sendmsg()
sendto()
sigpause() [POSIX.1-2001 uniquement (dans la liste des fonctions pouvant être un point d'annulation dans POSIX.1-2008)]
sigsuspend()
sigtimedwait()
sigwait()
sigwaitinfo()
sleep()
system()
tcdrain()
usleep() [POSIX.1-2001 uniquement (fonction supprimée dans POSIX.1-2008)]
wait()
waitid()
waitpid()
write()
writev()

POSIX.1-2001 et/ou POSIX.1-2008 indiquent que les fonctions suivantes peuvent être des points d'annulation :


access()
asctime()
asctime_r()
catclose()
catgets()
catopen()
chmod() [Added in POSIX.1-2008]
chown() [Added in POSIX.1-2008]
closedir()
closelog()
ctermid()
ctime()
ctime_r()
dbm_close()
dbm_delete()
dbm_fetch()
dbm_nextkey()
dbm_open()
dbm_store()
dlclose()
dlopen()
dprintf() [Added in POSIX.1-2008]
endgrent()
endhostent()
endnetent()
endprotoent()
endpwent()
endservent()
endutxent()
faccessat() [Added in POSIX.1-2008]
fchmod() [Added in POSIX.1-2008]
fchmodat() [Added in POSIX.1-2008]
fchown() [Added in POSIX.1-2008]
fchownat() [Added in POSIX.1-2008]
fclose()
fcntl() (for any value of cmd argument)
fflush()
fgetc()
fgetpos()
fgets()
fgetwc()
fgetws()
fmtmsg()
fopen()
fpathconf()
fprintf()
fputc()
fputs()
fputwc()
fputws()
fread()
freopen()
fscanf()
fseek()
fseeko()
fsetpos()
fstat()
fstatat() [Added in POSIX.1-2008]
ftell()
ftello()
ftw()
futimens() [Added in POSIX.1-2008]
fwprintf()
fwrite()
fwscanf()
getaddrinfo()
getc()
getc_unlocked()
getchar()
getchar_unlocked()
getcwd()
getdate()
getdelim() [Added in POSIX.1-2008]
getgrent()
getgrgid()
getgrgid_r()
getgrnam()
getgrnam_r()
gethostbyaddr() [SUSv3 only (function removed in POSIX.1-2008)]
gethostbyname() [SUSv3 only (function removed in POSIX.1-2008)]
gethostent()
gethostid()
gethostname()
getline() [Added in POSIX.1-2008]
getlogin()
getlogin_r()
getnameinfo()
getnetbyaddr()
getnetbyname()
getnetent()
getopt() (if opterr is nonzero)
getprotobyname()
getprotobynumber()
getprotoent()
getpwent()
getpwnam()
getpwnam_r()
getpwuid()
getpwuid_r()
gets()
getservbyname()
getservbyport()
getservent()
getutxent()
getutxid()
getutxline()
getwc()
getwchar()
getwd() [SUSv3 only (function removed in POSIX.1-2008)]
glob()
iconv_close()
iconv_open()
ioctl()
link()
linkat() [Added in POSIX.1-2008]
lio_listio() [Added in POSIX.1-2008]
localtime()
localtime_r()
lockf() [Added in POSIX.1-2008]
lseek()
lstat()
mkdir() [Added in POSIX.1-2008]
mkdirat() [Added in POSIX.1-2008]
mkdtemp() [Added in POSIX.1-2008]
mkfifo() [Added in POSIX.1-2008]
mkfifoat() [Added in POSIX.1-2008]
mknod() [Added in POSIX.1-2008]
mknodat() [Added in POSIX.1-2008]
mkstemp()
mktime()
nftw()
opendir()
openlog()
pathconf()
pclose()
perror()
popen()
posix_fadvise()
posix_fallocate()
posix_madvise()
posix_openpt()
posix_spawn()
posix_spawnp()
posix_trace_clear()
posix_trace_close()
posix_trace_create()
posix_trace_create_withlog()
posix_trace_eventtypelist_getnext_id()
posix_trace_eventtypelist_rewind()
posix_trace_flush()
posix_trace_get_attr()
posix_trace_get_filter()
posix_trace_get_status()
posix_trace_getnext_event()
posix_trace_open()
posix_trace_rewind()
posix_trace_set_filter()
posix_trace_shutdown()
posix_trace_timedgetnext_event()
posix_typed_mem_open()
printf()
psiginfo() [Added in POSIX.1-2008]
psignal() [Added in POSIX.1-2008]
pthread_rwlock_rdlock()
pthread_rwlock_timedrdlock()
pthread_rwlock_timedwrlock()
pthread_rwlock_wrlock()
putc()
putc_unlocked()
putchar()
putchar_unlocked()
puts()
pututxline()
putwc()
putwchar()
readdir()
readdir_r()
readlink() [Added in POSIX.1-2008]
readlinkat() [Added in POSIX.1-2008]
remove()
rename()
renameat() [Added in POSIX.1-2008]
rewind()
rewinddir()
scandir() [Added in POSIX.1-2008]
scanf()
seekdir()
semop()
setgrent()
sethostent()
setnetent()
setprotoent()
setpwent()
setservent()
setutxent()
sigpause() [Added in POSIX.1-2008]
stat()
strerror()
strerror_r()
strftime()
symlink()
symlinkat() [Added in POSIX.1-2008]
sync()
syslog()
tmpfile()
tmpnam()
ttyname()
ttyname_r()
tzset()
ungetc()
ungetwc()
unlink()
unlinkat() [Added in POSIX.1-2008]
utime() [Added in POSIX.1-2008]
utimensat() [Added in POSIX.1-2008]
utimes() [Added in POSIX.1-2008]
vdprintf() [Added in POSIX.1-2008]
vfprintf()
vfwprintf()
vprintf()
vwprintf()
wcsftime()
wordexp()
wprintf()
wscanf()

Une implémentation peut également indiquer d'autres fonctions non spécifiées dans la norme comme étant des points d'annulation. En particulier, une implémentation marquera probablement toute fonction non standard qui peut bloquer comme étant un point d'annulation (ceci inclus la plupart des fonctions qui peuvent toucher des fichiers).

It should be noted that even if an application is not using asynchronous cancellation, that calling a function from the above list from an asynchronous signal handler may cause the equivalent of asynchronous cancellation. The underlying user code may not expect asynchronous cancellation and the state of the user data may become inconsistent. Therefore signals should be used with caution when entering a region of deferred cancellation.

Sous Linux, les programmes utilisant l'API pthreads doivent être compilés avec cc -pthread.

Deux implémentations différentes des threads ont été fournies par la bibliothèque C de GNU sous Linux :
LinuxThreads
Il s'agit de l'implémentation des Pthreads originelle. Depuis la glibc 2.4, cette implémentation n'est plus prise en charge.
NPTL (Native POSIX Threads Library)
Il s'agit de l'implémentation moderne des Pthreads. Par rapport à LinuxThreads, NPTL se conforme mieux aux exigences de la norme POSIX.1, et une meilleure performance lors de la création d'un grand nombre de threads. NPTL est disponible depuis la glibc 2.3.2, et nécessite des fonctionnalités présentes dans le noyau Linux 2.6.

Ces deux implémentation sont dit de type 1:1, ce qui veut dire que chaque thread correspond à une entité d'ordonnancement du noyau. Les deux implémentations utilisent l'appel système clone(2) de Linux. Dans NPTL, les primitives de synchronisation de threads (mutexes, jonction de thread, etc.) sont implémentées avec l'appel système futex(2) de Linux.

Les fonctionnalités importantes de cette implémentation sont les suivantes :
  • En plus du thread principal (initial) et des threads créés par le programme avec pthread_create(3), l'implémentation crée un thread de gestion. Ce thread s'occupe de la création et de la terminaison des threads. Des problèmes peuvent survenir si ce thread est tué de façon imprévue.
  • Les signaux sont utilisés en interne par l'implémentation. Sous Linux 2.2 et suivants, les trois premiers signaux temps-réel sont utilisés (voir aussi signal(7)). Sous les noyaux plus anciens, LinuxThreads utilise SIGUSR1 et SIGUSR2. Les applications doivent éviter d'utiliser les signaux utilisés par l'implémentation.
  • Les threads ne partagent pas leur identifiant de processus. (En fait, les threads LinuxThreads sont implémentés comme des processus partageant plus d'informations qu'à l'habitude, mais pas leur identifiant de processus.) Les threads LinuxThreads (y compris le thread de gestion) sont visibles comme des processus différents avec ps(1).

L'implémentation LinuxThreads s'écarte de la spécification POSIX.1 par plusieurs aspects, dont les suivants :

  • Les appels à getpid(2) renvoient une valeur distincte dans chaque thread.
  • Les appels à getppid(2) dans les threads autres que le thread principal renvoient l'identifiant de processus du thread de gestion ; getppid(2) dans ces threads devrait renvoyer la même valeur que dans le thread principal.
  • When one thread creates a new child process using fork(2), any thread should be able to wait(2) on the child. However, the implementation allows only the thread that created the child to wait(2) on it.
  • Lorsqu'un thread appelle execve(2), tous les autres threads sont terminés (comme le prescrit POSIX.1). Cependant, le processus résultant a le même PID que le thread ayant appelé execve(2) : il devrait avoir le même PID que le thread principal.
  • Les threads ne partagent pas leurs identifiants d'utilisateur et de groupe. Ceci peut causer des complications pour les programmes setuid et provoquer des erreurs dans les fonctions pthreads si une application change d'identifiant avec seteuid(2) et consorts.
  • Les threads ne partagent pas l'identifiant de session et de groupe de processus.
  • Les threads ne partagent pas les verrouillages d'enregistrements créés avec fcntl(2).
  • L'information renvoyée par times(2) et getrusage(2) est par thread au lieu d'être par processus.
  • Les threads ne partagent pas les valeurs « undo » de sémaphores (voir semop(2)).
  • Les threads ne partagent pas les temporisations d'intervalles.
  • Les threads ne partagent pas leur valeur de politesse.
  • POSIX.1 distingue les notions de signal envoyé au processus dans son ensemble, et de signal envoyé à un thread individuellement. Selon POSIX.1, un signal envoyé au processus (par exemple avec kill(2)) sera géré par un thread choisi arbitrairement au sein du processus. LinuxThreads ne permet pas d'envoyer un signal au processus, mais seulement à un thread spécifique.
  • Les threads ont des paramètres de pile spécifique de signal distincts. Cependant, les paramètres de pile spécifique d'un nouveau thread sont copiés à partir du thread qui l'a créé, ce qui veut dire que les threads partagent initialement une même pile spécifique de signaux. (Un nouveau thread devrait démarrer sans pile spécifique de signaux. Si deux threads gèrent un signal sur leur pile spécifique au même moment, des échecs imprévisibles du programme risquent de se produire.)

With NPTL, all of the threads in a process are placed in the same thread group; all members of a thread group share the same PID. NPTL does not employ a manager thread.

NPTL makes internal use of the first two real-time signals; these signals cannot be used in applications. See nptl(7) for further details.

NPTL a encore au moins une non conformité à POSIX.1 :

-
Les threads ne partagent pas leur valeur de politesse.

Certaines non conformités n'apparaissent qu'avec des noyaux plus anciens :

  • L'information renvoyée par times(2) et getrusage(2) est par thread au lieu d'être globale au processus (corrigé dans le noyau 2.6.9).
  • Les threads ne partagent pas les limites de ressources (corrigé dans le noyau 2.6.10).
  • Les threads ne partagent pas les temporisations d'intervalles (corrigé dans le noyau 2.6.12).
  • Seul le thread principal est autorisé à démarrer une nouvelle session avec setsid(2) (corrigé dans le noyau 2.6.16).
  • Seul le thread principal est autorisé à rendre le processus leader de son groupe de processus avec setpgid(2) (corrigé dans le noyau 2.6.16).
  • Les threads ont des paramètres de pile spécifique de signaux distincts. Cependant, les paramètres de pile spécifique d'un nouveau thread sont copiés sur ceux du thread qui l'a créé, et les threads partagent donc initialement leur pile spécifique de signaux (corrigé dans le noyau 2.6.16).

Veuillez noter les points suivants à propos de l'implémentation NPTL :

-
Si la limite souple de taille de pile (voir dans setrlimit(2) la description de RLIMIT_STACK) est différente de unlimited, cette valeur détermine la taille de pile par défaut pour les nouveaux threads. Pour avoir un effet, cette limite doit être définie avant le démarrage du programme, par exemple en utilisant la commande ulimit -s du shell (limit stacksize dans csh).

Depuis glibc 2.3.2, la commande getconf(1) peut être utilisée pour déterminer l'implémentation de threads du système, par exemple :


bash$ getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
NPTL 2.3.4

Avec des versions plus anciennes de la glibc, une commande comme la suivante devrait être suffisante pour déterminer l'implémentation de threads par défaut :


bash$ $( ldd /bin/ls | grep libc.so | awk '{print $3}' ) | \
                egrep -i 'threads|nptl'
        Native POSIX Threads Library by Ulrich Drepper et al

Sur les systèmes avec une glibc fournissant à la fois LinuxThreads et NPTL (i.e. glibc 2.3.x), la variable d'environnement LD_ASSUME_KERNEL peut être utilisée pour écraser le choix par défaut d'implémentation de threads fait par l'éditeur de liens dynamique. Cette variable indique à l'éditeur de liens dynamique qu'il doit faire comme s'il était exécuté avec une version particulière du noyau. En indiquant une version du noyau ne fournissant pas les fonctionnalités nécessitées par NPTL, on peut forcer l'utilisation de LinuxThreads. (La raison la plus probable pour cela est d'exécuter une application (boguée) qui dépend d'un comportement de LinuxThreads non conforme à la spécification.) Par exemple :


bash$ $( LD_ASSUME_KERNEL=2.2.5 ldd /bin/ls | grep libc.so | \
                awk '{print $3}' ) | egrep -i 'threads|nptl'
        linuxthreads-0.10 by Xavier Leroy

clone(2), fork(2), futex(2), gettid(2), proc(5), attributes(7), futex(7), nptl(7), sigevent(7), signal(7)

Various Pthreads manual pages, for example: pthread_atfork(3), pthread_attr_init(3), pthread_cancel(3), pthread_cleanup_push(3), pthread_cond_signal(3), pthread_cond_wait(3), pthread_create(3), pthread_detach(3), pthread_equal(3), pthread_exit(3), pthread_key_create(3), pthread_kill(3), pthread_mutex_lock(3), pthread_mutex_unlock(3), pthread_mutexattr_destroy(3), pthread_mutexattr_init(3), pthread_once(3), pthread_spin_init(3), pthread_spin_lock(3), pthread_rwlockattr_setkind_np(3), pthread_setcancelstate(3), pthread_setcanceltype(3), pthread_setspecific(3), pthread_sigmask(3), pthread_sigqueue(3), and pthread_testcancel(3)

Cette page fait partie de la publication 5.08 du projet man-pages Linux. Une description du projet et des instructions pour signaler des anomalies et la dernière version de cette page, peuvent être trouvées à l'adresse https://www.kernel.org/doc/man-pages/.

La traduction française de cette page de manuel a été créée par Christophe Blaess https://www.blaess.fr/christophe/, Stéphan Rafin <stephan.rafin@laposte.net>, Thierry Vignaud <tvignaud@mandriva.com>, François Micaux, Alain Portal <aportal@univ-montp2.fr>, Jean-Philippe Guérard <fevrier@tigreraye.org>, Jean-Luc Coulon (f5ibh) <jean-luc.coulon@wanadoo.fr>, Julien Cristau <jcristau@debian.org>, Thomas Huriaux <thomas.huriaux@gmail.com>, Nicolas François <nicolas.francois@centraliens.net>, Florentin Duneau <fduneau@gmail.com>, Simon Paillard <simon.paillard@resel.enst-bretagne.fr>, Denis Barbier <barbier@debian.org>, David Prévot <david@tilapin.org> et Frédéric Hantrais <fhantrais@gmail.com>

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13 août 2020 Linux