home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ PC World 2003 March / PCWorld_2003-03_cd.bin / Software / Topware / activeperl / ActivePerl / Perl / lib / Pod / perlthrtut.pod < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2002-11-28  |  43.6 KB  |  1,112 lines

  1. =head1 NAME
  2.  
  3. perlthrtut - tutorial on threads in Perl
  4.  
  5. =head1 DESCRIPTION
  6.  
  7. B<NOTE>: this tutorial describes the new Perl threading flavour
  8. introduced in Perl 5.6.0 called interpreter threads, or B<ithreads>
  9. for short.  In this model each thread runs in its own Perl interpreter,
  10. and any data sharing between threads must be explicit.
  11.  
  12. There is another older Perl threading flavour called the 5.005 model,
  13. unsurprisingly for 5.005 versions of Perl.  The old model is known to
  14. have problems, deprecated, and will probably be removed around release
  15. 5.10. You are strongly encouraged to migrate any existing 5.005
  16. threads code to the new model as soon as possible.
  17.  
  18. You can see which (or neither) threading flavour you have by
  19. running C<perl -V> and looking at the C<Platform> section.
  20. If you have C<useithreads=define> you have ithreads, if you
  21. have C<use5005threads=define> you have 5.005 threads.
  22. If you have neither, you don't have any thread support built in.
  23. If you have both, you are in trouble.
  24.  
  25. The user-level interface to the 5.005 threads was via the L<Threads>
  26. class, while ithreads uses the L<threads> class. Note the change in case.
  27.  
  28. =head1 Status
  29.  
  30. The ithreads code has been available since Perl 5.6.0, and is considered
  31. stable. The user-level interface to ithreads (the L<threads> classes)
  32. appeared in the 5.8.0 release, and as of this time is considered stable
  33. although it should be treated with caution as with all new features.
  34.  
  35. =head1 What Is A Thread Anyway?
  36.  
  37. A thread is a flow of control through a program with a single
  38. execution point.
  39.  
  40. Sounds an awful lot like a process, doesn't it? Well, it should.
  41. Threads are one of the pieces of a process.  Every process has at least
  42. one thread and, up until now, every process running Perl had only one
  43. thread.  With 5.8, though, you can create extra threads.  We're going
  44. to show you how, when, and why.
  45.  
  46. =head1 Threaded Program Models
  47.  
  48. There are three basic ways that you can structure a threaded
  49. program.  Which model you choose depends on what you need your program
  50. to do.  For many non-trivial threaded programs you'll need to choose
  51. different models for different pieces of your program.
  52.  
  53. =head2 Boss/Worker
  54.  
  55. The boss/worker model usually has one `boss' thread and one or more
  56. `worker' threads.  The boss thread gathers or generates tasks that need
  57. to be done, then parcels those tasks out to the appropriate worker
  58. thread.
  59.  
  60. This model is common in GUI and server programs, where a main thread
  61. waits for some event and then passes that event to the appropriate
  62. worker threads for processing.  Once the event has been passed on, the
  63. boss thread goes back to waiting for another event.
  64.  
  65. The boss thread does relatively little work.  While tasks aren't
  66. necessarily performed faster than with any other method, it tends to
  67. have the best user-response times.
  68.  
  69. =head2 Work Crew
  70.  
  71. In the work crew model, several threads are created that do
  72. essentially the same thing to different pieces of data.  It closely
  73. mirrors classical parallel processing and vector processors, where a
  74. large array of processors do the exact same thing to many pieces of
  75. data.
  76.  
  77. This model is particularly useful if the system running the program
  78. will distribute multiple threads across different processors.  It can
  79. also be useful in ray tracing or rendering engines, where the
  80. individual threads can pass on interim results to give the user visual
  81. feedback.
  82.  
  83. =head2 Pipeline
  84.  
  85. The pipeline model divides up a task into a series of steps, and
  86. passes the results of one step on to the thread processing the
  87. next.  Each thread does one thing to each piece of data and passes the
  88. results to the next thread in line.
  89.  
  90. This model makes the most sense if you have multiple processors so two
  91. or more threads will be executing in parallel, though it can often
  92. make sense in other contexts as well.  It tends to keep the individual
  93. tasks small and simple, as well as allowing some parts of the pipeline
  94. to block (on I/O or system calls, for example) while other parts keep
  95. going.  If you're running different parts of the pipeline on different
  96. processors you may also take advantage of the caches on each
  97. processor.
  98.  
  99. This model is also handy for a form of recursive programming where,
  100. rather than having a subroutine call itself, it instead creates
  101. another thread.  Prime and Fibonacci generators both map well to this
  102. form of the pipeline model. (A version of a prime number generator is
  103. presented later on.)
  104.  
  105. =head1 Native threads
  106.  
  107. There are several different ways to implement threads on a system.  How
  108. threads are implemented depends both on the vendor and, in some cases,
  109. the version of the operating system.  Often the first implementation
  110. will be relatively simple, but later versions of the OS will be more
  111. sophisticated.
  112.  
  113. While the information in this section is useful, it's not necessary,
  114. so you can skip it if you don't feel up to it.
  115.  
  116. There are three basic categories of threads: user-mode threads, kernel
  117. threads, and multiprocessor kernel threads.
  118.  
  119. User-mode threads are threads that live entirely within a program and
  120. its libraries.  In this model, the OS knows nothing about threads.  As
  121. far as it's concerned, your process is just a process.
  122.  
  123. This is the easiest way to implement threads, and the way most OSes
  124. start.  The big disadvantage is that, since the OS knows nothing about
  125. threads, if one thread blocks they all do.  Typical blocking activities
  126. include most system calls, most I/O, and things like sleep().
  127.  
  128. Kernel threads are the next step in thread evolution.  The OS knows
  129. about kernel threads, and makes allowances for them.  The main
  130. difference between a kernel thread and a user-mode thread is
  131. blocking.  With kernel threads, things that block a single thread don't
  132. block other threads.  This is not the case with user-mode threads,
  133. where the kernel blocks at the process level and not the thread level.
  134.  
  135. This is a big step forward, and can give a threaded program quite a
  136. performance boost over non-threaded programs.  Threads that block
  137. performing I/O, for example, won't block threads that are doing other
  138. things.  Each process still has only one thread running at once,
  139. though, regardless of how many CPUs a system might have.
  140.  
  141. Since kernel threading can interrupt a thread at any time, they will
  142. uncover some of the implicit locking assumptions you may make in your
  143. program.  For example, something as simple as C<$a = $a + 2> can behave
  144. unpredictably with kernel threads if $a is visible to other
  145. threads, as another thread may have changed $a between the time it
  146. was fetched on the right hand side and the time the new value is
  147. stored.
  148.  
  149. Multiprocessor kernel threads are the final step in thread
  150. support.  With multiprocessor kernel threads on a machine with multiple
  151. CPUs, the OS may schedule two or more threads to run simultaneously on
  152. different CPUs.
  153.  
  154. This can give a serious performance boost to your threaded program,
  155. since more than one thread will be executing at the same time.  As a
  156. tradeoff, though, any of those nagging synchronization issues that
  157. might not have shown with basic kernel threads will appear with a
  158. vengeance.
  159.  
  160. In addition to the different levels of OS involvement in threads,
  161. different OSes (and different thread implementations for a particular
  162. OS) allocate CPU cycles to threads in different ways.
  163.  
  164. Cooperative multitasking systems have running threads give up control
  165. if one of two things happen.  If a thread calls a yield function, it
  166. gives up control.  It also gives up control if the thread does
  167. something that would cause it to block, such as perform I/O.  In a
  168. cooperative multitasking implementation, one thread can starve all the
  169. others for CPU time if it so chooses.
  170.  
  171. Preemptive multitasking systems interrupt threads at regular intervals
  172. while the system decides which thread should run next.  In a preemptive
  173. multitasking system, one thread usually won't monopolize the CPU.
  174.  
  175. On some systems, there can be cooperative and preemptive threads
  176. running simultaneously. (Threads running with realtime priorities
  177. often behave cooperatively, for example, while threads running at
  178. normal priorities behave preemptively.)
  179.  
  180. =head1 What kind of threads are Perl threads?
  181.  
  182. If you have experience with other thread implementations, you might
  183. find that things aren't quite what you expect.  It's very important to
  184. remember when dealing with Perl threads that Perl Threads Are Not X
  185. Threads, for all values of X.  They aren't POSIX threads, or
  186. DecThreads, or Java's Green threads, or Win32 threads.  There are
  187. similarities, and the broad concepts are the same, but if you start
  188. looking for implementation details you're going to be either
  189. disappointed or confused.  Possibly both.
  190.  
  191. This is not to say that Perl threads are completely different from
  192. everything that's ever come before--they're not.  Perl's threading
  193. model owes a lot to other thread models, especially POSIX.  Just as
  194. Perl is not C, though, Perl threads are not POSIX threads.  So if you
  195. find yourself looking for mutexes, or thread priorities, it's time to
  196. step back a bit and think about what you want to do and how Perl can
  197. do it.
  198.  
  199. However it is important to remember that Perl threads cannot magically
  200. do things unless your operating systems threads allows it. So if your
  201. system blocks the entire process on sleep(), Perl usually will as well.
  202.  
  203. Perl Threads Are Different.
  204.  
  205. =head1 Thread-Safe Modules
  206.  
  207. The addition of threads has changed Perl's internals
  208. substantially. There are implications for people who write
  209. modules with XS code or external libraries. However, since perl data is
  210. not shared among threads by default, Perl modules stand a high chance of
  211. being thread-safe or can be made thread-safe easily.  Modules that are not
  212. tagged as thread-safe should be tested or code reviewed before being used
  213. in production code.
  214.  
  215. Not all modules that you might use are thread-safe, and you should
  216. always assume a module is unsafe unless the documentation says
  217. otherwise.  This includes modules that are distributed as part of the
  218. core.  Threads are a new feature, and even some of the standard
  219. modules aren't thread-safe.
  220.  
  221. Even if a module is thread-safe, it doesn't mean that the module is optimized
  222. to work well with threads. A module could possibly be rewritten to utilize
  223. the new features in threaded Perl to increase performance in a threaded
  224. environment.
  225.  
  226. If you're using a module that's not thread-safe for some reason, you
  227. can protect yourself by using it from one, and only one thread at all.
  228. If you need multiple threads to access such a module, you can use semaphores and
  229. lots of programming discipline to control access to it.  Semaphores
  230. are covered in L</"Basic semaphores">.
  231.  
  232. See also L</"Thread-Safety of System Libraries">.
  233.  
  234. =head1 Thread Basics
  235.  
  236. The core L<threads> module provides the basic functions you need to write
  237. threaded programs.  In the following sections we'll cover the basics,
  238. showing you what you need to do to create a threaded program.   After
  239. that, we'll go over some of the features of the L<threads> module that
  240. make threaded programming easier.
  241.  
  242. =head2 Basic Thread Support
  243.  
  244. Thread support is a Perl compile-time option - it's something that's
  245. turned on or off when Perl is built at your site, rather than when
  246. your programs are compiled. If your Perl wasn't compiled with thread
  247. support enabled, then any attempt to use threads will fail.
  248.  
  249. Your programs can use the Config module to check whether threads are
  250. enabled. If your program can't run without them, you can say something
  251. like:
  252.  
  253.     $Config{useithreads} or die "Recompile Perl with threads to run this program.";
  254.  
  255. A possibly-threaded program using a possibly-threaded module might
  256. have code like this:
  257.  
  258.     use Config;
  259.     use MyMod;
  260.  
  261.     BEGIN {
  262.         if ($Config{useithreads}) {
  263.             # We have threads
  264.             require MyMod_threaded;
  265.            import MyMod_threaded;
  266.         } else {
  267.            require MyMod_unthreaded;
  268.            import MyMod_unthreaded;
  269.         }
  270.     }
  271.  
  272. Since code that runs both with and without threads is usually pretty
  273. messy, it's best to isolate the thread-specific code in its own
  274. module.  In our example above, that's what MyMod_threaded is, and it's
  275. only imported if we're running on a threaded Perl.
  276.  
  277. =head2 A Note about the Examples
  278.  
  279. Although thread support is considered to be stable, there are still a number
  280. of quirks that may startle you when you try out any of the examples below.
  281. In a real situation, care should be taken that all threads are finished
  282. executing before the program exits.  That care has B<not> been taken in these
  283. examples in the interest of simplicity.  Running these examples "as is" will
  284. produce error messages, usually caused by the fact that there are still
  285. threads running when the program exits.  You should not be alarmed by this.
  286. Future versions of Perl may fix this problem.
  287.  
  288. =head2 Creating Threads
  289.  
  290. The L<threads> package provides the tools you need to create new
  291. threads.  Like any other module, you need to tell Perl that you want to use
  292. it; C<use threads> imports all the pieces you need to create basic
  293. threads.
  294.  
  295. The simplest, most straightforward way to create a thread is with new():
  296.  
  297.     use threads; 
  298.  
  299.     $thr = threads->new(\&sub1);
  300.  
  301.     sub sub1 { 
  302.         print "In the thread\n"; 
  303.     }
  304.  
  305. The new() method takes a reference to a subroutine and creates a new
  306. thread, which starts executing in the referenced subroutine.  Control
  307. then passes both to the subroutine and the caller.
  308.  
  309. If you need to, your program can pass parameters to the subroutine as
  310. part of the thread startup.  Just include the list of parameters as
  311. part of the C<threads::new> call, like this:
  312.  
  313.     use threads; 
  314.  
  315.     $Param3 = "foo"; 
  316.     $thr = threads->new(\&sub1, "Param 1", "Param 2", $Param3); 
  317.     $thr = threads->new(\&sub1, @ParamList); 
  318.     $thr = threads->new(\&sub1, qw(Param1 Param2 Param3));
  319.  
  320.     sub sub1 { 
  321.         my @InboundParameters = @_; 
  322.         print "In the thread\n"; 
  323.         print "got parameters >", join("<>", @InboundParameters), "<\n"; 
  324.     }
  325.  
  326.  
  327. The last example illustrates another feature of threads.  You can spawn
  328. off several threads using the same subroutine.  Each thread executes
  329. the same subroutine, but in a separate thread with a separate
  330. environment and potentially separate arguments.
  331.  
  332. C<create()> is a synonym for C<new()>.
  333.  
  334. =head2 Giving up control
  335.  
  336. There are times when you may find it useful to have a thread
  337. explicitly give up the CPU to another thread.  Your threading package
  338. might not support preemptive multitasking for threads, for example, or
  339. you may be doing something processor-intensive and want to make sure
  340. that the user-interface thread gets called frequently.  Regardless,
  341. there are times that you might want a thread to give up the processor.
  342.  
  343. Perl's threading package provides the yield() function that does
  344. this. yield() is pretty straightforward, and works like this:
  345.  
  346.     use threads; 
  347.  
  348.     sub loop {
  349.         my $thread = shift;
  350.         my $foo = 50;
  351.         while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
  352.         threads->yield;
  353.         $foo = 50;
  354.         while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
  355.     }
  356.  
  357.     my $thread1 = threads->new(\&loop, 'first');
  358.     my $thread2 = threads->new(\&loop, 'second');
  359.     my $thread3 = threads->new(\&loop, 'third');
  360.  
  361. It is important to remember that yield() is only a hint to give up the CPU,
  362. it depends on your hardware, OS and threading libraries what actually happens.
  363. Therefore it is important to note that one should not build the scheduling of 
  364. the threads around yield() calls. It might work on your platform but it won't
  365. work on another platform.
  366.  
  367. =head2 Waiting For A Thread To Exit
  368.  
  369. Since threads are also subroutines, they can return values.  To wait
  370. for a thread to exit and extract any values it might return, you can
  371. use the join() method:
  372.  
  373.     use threads; 
  374.  
  375.     $thr = threads->new(\&sub1);
  376.  
  377.     @ReturnData = $thr->join; 
  378.     print "Thread returned @ReturnData"; 
  379.  
  380.     sub sub1 { return "Fifty-six", "foo", 2; }
  381.  
  382. In the example above, the join() method returns as soon as the thread
  383. ends.  In addition to waiting for a thread to finish and gathering up
  384. any values that the thread might have returned, join() also performs
  385. any OS cleanup necessary for the thread.  That cleanup might be
  386. important, especially for long-running programs that spawn lots of
  387. threads.  If you don't want the return values and don't want to wait
  388. for the thread to finish, you should call the detach() method
  389. instead, as described next.
  390.  
  391. =head2 Ignoring A Thread
  392.  
  393. join() does three things: it waits for a thread to exit, cleans up
  394. after it, and returns any data the thread may have produced.  But what
  395. if you're not interested in the thread's return values, and you don't
  396. really care when the thread finishes? All you want is for the thread
  397. to get cleaned up after when it's done.
  398.  
  399. In this case, you use the detach() method.  Once a thread is detached,
  400. it'll run until it's finished, then Perl will clean up after it
  401. automatically.
  402.  
  403.     use threads; 
  404.  
  405.     $thr = threads->new(\&sub1); # Spawn the thread
  406.  
  407.     $thr->detach; # Now we officially don't care any more
  408.  
  409.     sub sub1 {
  410.         $a = 0; 
  411.         while (1) { 
  412.             $a++; 
  413.             print "\$a is $a\n"; 
  414.             sleep 1; 
  415.         } 
  416.     }
  417.  
  418. Once a thread is detached, it may not be joined, and any return data
  419. that it might have produced (if it was done and waiting for a join) is
  420. lost.
  421.  
  422. =head1 Threads And Data
  423.  
  424. Now that we've covered the basics of threads, it's time for our next
  425. topic: data.  Threading introduces a couple of complications to data
  426. access that non-threaded programs never need to worry about.
  427.  
  428. =head2 Shared And Unshared Data
  429.  
  430. The biggest difference between Perl ithreads and the old 5.005 style
  431. threading, or for that matter, to most other threading systems out there,
  432. is that by default, no data is shared. When a new perl thread is created,
  433. all the data associated with the current thread is copied to the new
  434. thread, and is subsequently private to that new thread!
  435. This is similar in feel to what happens when a UNIX process forks,
  436. except that in this case, the data is just copied to a different part of
  437. memory within the same process rather than a real fork taking place.
  438.  
  439. To make use of threading however, one usually wants the threads to share
  440. at least some data between themselves. This is done with the
  441. L<threads::shared> module and the C< : shared> attribute:
  442.  
  443.     use threads;
  444.     use threads::shared;
  445.  
  446.     my $foo : shared = 1;
  447.     my $bar = 1;
  448.     threads->new(sub { $foo++; $bar++ })->join;
  449.  
  450.     print "$foo\n";  #prints 2 since $foo is shared
  451.     print "$bar\n";  #prints 1 since $bar is not shared
  452.  
  453. In the case of a shared array, all the array's elements are shared, and for
  454. a shared hash, all the keys and values are shared. This places
  455. restrictions on what may be assigned to shared array and hash elements: only
  456. simple values or references to shared variables are allowed - this is
  457. so that a private variable can't accidentally become shared. A bad
  458. assignment will cause the thread to die. For example:
  459.  
  460.     use threads;
  461.     use threads::shared;
  462.  
  463.     my $var           = 1;
  464.     my $svar : shared = 2;
  465.     my %hash : shared;
  466.  
  467.     ... create some threads ...
  468.  
  469.     $hash{a} = 1;    # all threads see exists($hash{a}) and $hash{a} == 1
  470.     $hash{a} = $var    # okay - copy-by-value: same effect as previous
  471.     $hash{a} = $svar    # okay - copy-by-value: same effect as previous
  472.     $hash{a} = \$svar    # okay - a reference to a shared variable
  473.     $hash{a} = \$var    # This will die
  474.     delete $hash{a}    # okay - all threads will see !exists($hash{a})
  475.  
  476. Note that a shared variable guarantees that if two or more threads try to
  477. modify it at the same time, the internal state of the variable will not
  478. become corrupted. However, there are no guarantees beyond this, as
  479. explained in the next section.
  480.  
  481. =head2 Thread Pitfalls: Races
  482.  
  483. While threads bring a new set of useful tools, they also bring a
  484. number of pitfalls.  One pitfall is the race condition:
  485.  
  486.     use threads; 
  487.     use threads::shared;
  488.  
  489.     my $a : shared = 1; 
  490.     $thr1 = threads->new(\&sub1); 
  491.     $thr2 = threads->new(\&sub2); 
  492.  
  493.     $thr1->join;
  494.     $thr2->join;
  495.     print "$a\n";
  496.  
  497.     sub sub1 { my $foo = $a; $a = $foo + 1; }
  498.     sub sub2 { my $bar = $a; $a = $bar + 1; }
  499.  
  500. What do you think $a will be? The answer, unfortunately, is "it
  501. depends." Both sub1() and sub2() access the global variable $a, once
  502. to read and once to write.  Depending on factors ranging from your
  503. thread implementation's scheduling algorithm to the phase of the moon,
  504. $a can be 2 or 3.
  505.  
  506. Race conditions are caused by unsynchronized access to shared
  507. data.  Without explicit synchronization, there's no way to be sure that
  508. nothing has happened to the shared data between the time you access it
  509. and the time you update it.  Even this simple code fragment has the
  510. possibility of error:
  511.  
  512.     use threads; 
  513.     my $a : shared = 2;
  514.     my $b : shared;
  515.     my $c : shared;
  516.     my $thr1 = threads->create(sub { $b = $a; $a = $b + 1; }); 
  517.     my $thr2 = threads->create(sub { $c = $a; $a = $c + 1; });
  518.     $thr1->join;
  519.     $thr2->join;
  520.  
  521. Two threads both access $a.  Each thread can potentially be interrupted
  522. at any point, or be executed in any order.  At the end, $a could be 3
  523. or 4, and both $b and $c could be 2 or 3.
  524.  
  525. Even C<$a += 5> or C<$a++> are not guaranteed to be atomic.
  526.  
  527. Whenever your program accesses data or resources that can be accessed
  528. by other threads, you must take steps to coordinate access or risk
  529. data inconsistency and race conditions. Note that Perl will protect its
  530. internals from your race conditions, but it won't protect you from you.
  531.  
  532. =head1 Synchronization and control
  533.  
  534. Perl provides a number of mechanisms to coordinate the interactions
  535. between themselves and their data, to avoid race conditions and the like.
  536. Some of these are designed to resemble the common techniques used in thread
  537. libraries such as C<pthreads>; others are Perl-specific. Often, the
  538. standard techniques are clumsy and difficult to get right (such as
  539. condition waits). Where possible, it is usually easier to use Perlish
  540. techniques such as queues, which remove some of the hard work involved.
  541.  
  542. =head2 Controlling access: lock()
  543.  
  544. The lock() function takes a shared variable and puts a lock on it.  
  545. No other thread may lock the variable until the variable is unlocked
  546. by the thread holding the lock. Unlocking happens automatically
  547. when the locking thread exits the outermost block that contains
  548. C<lock()> function.  Using lock() is straightforward: this example has
  549. several threads doing some calculations in parallel, and occasionally
  550. updating a running total:
  551.  
  552.     use threads;
  553.     use threads::shared;
  554.  
  555.     my $total : shared = 0;
  556.  
  557.     sub calc {
  558.     for (;;) {
  559.         my $result;
  560.         # (... do some calculations and set $result ...)
  561.         {
  562.         lock($total); # block until we obtain the lock
  563.         $total += $result;
  564.         } # lock implicitly released at end of scope
  565.         last if $result == 0;
  566.     }
  567.     }
  568.  
  569.     my $thr1 = threads->new(\&calc);
  570.     my $thr2 = threads->new(\&calc);
  571.     my $thr3 = threads->new(\&calc);
  572.     $thr1->join;
  573.     $thr2->join;
  574.     $thr3->join;
  575.     print "total=$total\n";
  576.  
  577.  
  578. lock() blocks the thread until the variable being locked is
  579. available.  When lock() returns, your thread can be sure that no other
  580. thread can lock that variable until the outermost block containing the
  581. lock exits.
  582.  
  583. It's important to note that locks don't prevent access to the variable
  584. in question, only lock attempts.  This is in keeping with Perl's
  585. longstanding tradition of courteous programming, and the advisory file
  586. locking that flock() gives you.  
  587.  
  588. You may lock arrays and hashes as well as scalars.  Locking an array,
  589. though, will not block subsequent locks on array elements, just lock
  590. attempts on the array itself.
  591.  
  592. Locks are recursive, which means it's okay for a thread to
  593. lock a variable more than once.  The lock will last until the outermost
  594. lock() on the variable goes out of scope. For example:
  595.  
  596.     my $x : shared;
  597.     doit();
  598.  
  599.     sub doit {
  600.     {
  601.         {
  602.         lock($x); # wait for lock
  603.         lock($x); # NOOP - we already have the lock
  604.         {
  605.             lock($x); # NOOP
  606.             {
  607.             lock($x); # NOOP
  608.             lockit_some_more();
  609.             }
  610.         }
  611.         } # *** implicit unlock here ***
  612.     }
  613.     }
  614.  
  615.     sub lockit_some_more {
  616.     lock($x); # NOOP
  617.     } # nothing happens here
  618.  
  619. Note that there is no unlock() function - the only way to unlock a
  620. variable is to allow it to go out of scope.  
  621.  
  622. A lock can either be used to guard the data contained within the variable
  623. being locked, or it can be used to guard something else, like a section
  624. of code. In this latter case, the variable in question does not hold any
  625. useful data, and exists only for the purpose of being locked. In this
  626. respect, the variable behaves like the mutexes and basic semaphores of
  627. traditional thread libraries.
  628.  
  629. =head2 A Thread Pitfall: Deadlocks
  630.  
  631. Locks are a handy tool to synchronize access to data, and using them
  632. properly is the key to safe shared data.  Unfortunately, locks aren't
  633. without their dangers, especially when multiple locks are involved.
  634. Consider the following code:
  635.  
  636.     use threads; 
  637.  
  638.     my $a : shared = 4; 
  639.     my $b : shared = "foo"; 
  640.     my $thr1 = threads->new(sub { 
  641.         lock($a); 
  642.         threads->yield; 
  643.         sleep 20; 
  644.         lock($b); 
  645.     }); 
  646.     my $thr2 = threads->new(sub { 
  647.         lock($b); 
  648.         threads->yield; 
  649.         sleep 20; 
  650.         lock($a); 
  651.     });
  652.  
  653. This program will probably hang until you kill it.  The only way it
  654. won't hang is if one of the two threads acquires both locks
  655. first.  A guaranteed-to-hang version is more complicated, but the
  656. principle is the same.
  657.  
  658. The first thread will grab a lock on $a, then, after a pause during which
  659. the second thread has probably had time to do some work, try to grab a
  660. lock on $b.  Meanwhile, the second thread grabs a lock on $b, then later
  661. tries to grab a lock on $a.  The second lock attempt for both threads will
  662. block, each waiting for the other to release its lock.
  663.  
  664. This condition is called a deadlock, and it occurs whenever two or
  665. more threads are trying to get locks on resources that the others
  666. own.  Each thread will block, waiting for the other to release a lock
  667. on a resource.  That never happens, though, since the thread with the
  668. resource is itself waiting for a lock to be released.
  669.  
  670. There are a number of ways to handle this sort of problem.  The best
  671. way is to always have all threads acquire locks in the exact same
  672. order.  If, for example, you lock variables $a, $b, and $c, always lock
  673. $a before $b, and $b before $c.  It's also best to hold on to locks for
  674. as short a period of time to minimize the risks of deadlock.
  675.  
  676. The other synchronization primitives described below can suffer from
  677. similar problems.
  678.  
  679. =head2 Queues: Passing Data Around
  680.  
  681. A queue is a special thread-safe object that lets you put data in one
  682. end and take it out the other without having to worry about
  683. synchronization issues.  They're pretty straightforward, and look like
  684. this:
  685.  
  686.     use threads; 
  687.     use Thread::Queue;
  688.  
  689.     my $DataQueue = Thread::Queue->new; 
  690.     $thr = threads->new(sub { 
  691.         while ($DataElement = $DataQueue->dequeue) { 
  692.             print "Popped $DataElement off the queue\n";
  693.         } 
  694.     }); 
  695.  
  696.     $DataQueue->enqueue(12); 
  697.     $DataQueue->enqueue("A", "B", "C"); 
  698.     $DataQueue->enqueue(\$thr); 
  699.     sleep 10; 
  700.     $DataQueue->enqueue(undef);
  701.     $thr->join;
  702.  
  703. You create the queue with C<new Thread::Queue>.  Then you can
  704. add lists of scalars onto the end with enqueue(), and pop scalars off
  705. the front of it with dequeue().  A queue has no fixed size, and can grow
  706. as needed to hold everything pushed on to it.
  707.  
  708. If a queue is empty, dequeue() blocks until another thread enqueues
  709. something.  This makes queues ideal for event loops and other
  710. communications between threads.
  711.  
  712. =head2 Semaphores: Synchronizing Data Access
  713.  
  714. Semaphores are a kind of generic locking mechanism. In their most basic
  715. form, they behave very much like lockable scalars, except that thay
  716. can't hold data, and that they must be explicitly unlocked. In their
  717. advanced form, they act like a kind of counter, and can allow multiple
  718. threads to have the 'lock' at any one time.
  719.  
  720. =head2 Basic semaphores
  721.  
  722. Semaphores have two methods, down() and up(): down() decrements the resource
  723. count, while up increments it. Calls to down() will block if the
  724. semaphore's current count would decrement below zero.  This program
  725. gives a quick demonstration:
  726.  
  727.     use threads qw(yield); 
  728.     use Thread::Semaphore; 
  729.  
  730.     my $semaphore = new Thread::Semaphore; 
  731.     my $GlobalVariable : shared = 0;
  732.  
  733.     $thr1 = new threads \&sample_sub, 1; 
  734.     $thr2 = new threads \&sample_sub, 2; 
  735.     $thr3 = new threads \&sample_sub, 3;
  736.  
  737.     sub sample_sub { 
  738.         my $SubNumber = shift @_; 
  739.         my $TryCount = 10; 
  740.         my $LocalCopy; 
  741.         sleep 1; 
  742.         while ($TryCount--) { 
  743.             $semaphore->down; 
  744.             $LocalCopy = $GlobalVariable; 
  745.             print "$TryCount tries left for sub $SubNumber (\$GlobalVariable is $GlobalVariable)\n"; 
  746.             yield; 
  747.             sleep 2; 
  748.             $LocalCopy++; 
  749.             $GlobalVariable = $LocalCopy; 
  750.             $semaphore->up; 
  751.         } 
  752.     }
  753.  
  754.     $thr1->join;
  755.     $thr2->join;
  756.     $thr3->join;
  757.  
  758. The three invocations of the subroutine all operate in sync.  The
  759. semaphore, though, makes sure that only one thread is accessing the
  760. global variable at once.
  761.  
  762. =head2 Advanced Semaphores
  763.  
  764. By default, semaphores behave like locks, letting only one thread
  765. down() them at a time.  However, there are other uses for semaphores.
  766.  
  767. Each semaphore has a counter attached to it. By default, semaphores are
  768. created with the counter set to one, down() decrements the counter by
  769. one, and up() increments by one. However, we can override any or all
  770. of these defaults simply by passing in different values:
  771.  
  772.     use threads;
  773.     use Thread::Semaphore;
  774.     my $semaphore = Thread::Semaphore->new(5);
  775.                     # Creates a semaphore with the counter set to five
  776.  
  777.     $thr1 = threads->new(\&sub1);
  778.     $thr2 = threads->new(\&sub1);
  779.  
  780.     sub sub1 {
  781.         $semaphore->down(5); # Decrements the counter by five
  782.         # Do stuff here
  783.         $semaphore->up(5); # Increment the counter by five
  784.     }
  785.  
  786.     $thr1->detach;
  787.     $thr2->detach;
  788.  
  789. If down() attempts to decrement the counter below zero, it blocks until
  790. the counter is large enough.  Note that while a semaphore can be created
  791. with a starting count of zero, any up() or down() always changes the
  792. counter by at least one, and so $semaphore->down(0) is the same as
  793. $semaphore->down(1).
  794.  
  795. The question, of course, is why would you do something like this? Why
  796. create a semaphore with a starting count that's not one, or why
  797. decrement/increment it by more than one? The answer is resource
  798. availability.  Many resources that you want to manage access for can be
  799. safely used by more than one thread at once.
  800.  
  801. For example, let's take a GUI driven program.  It has a semaphore that
  802. it uses to synchronize access to the display, so only one thread is
  803. ever drawing at once.  Handy, but of course you don't want any thread
  804. to start drawing until things are properly set up.  In this case, you
  805. can create a semaphore with a counter set to zero, and up it when
  806. things are ready for drawing.
  807.  
  808. Semaphores with counters greater than one are also useful for
  809. establishing quotas.  Say, for example, that you have a number of
  810. threads that can do I/O at once.  You don't want all the threads
  811. reading or writing at once though, since that can potentially swamp
  812. your I/O channels, or deplete your process' quota of filehandles.  You
  813. can use a semaphore initialized to the number of concurrent I/O
  814. requests (or open files) that you want at any one time, and have your
  815. threads quietly block and unblock themselves.
  816.  
  817. Larger increments or decrements are handy in those cases where a
  818. thread needs to check out or return a number of resources at once.
  819.  
  820. =head2 cond_wait() and cond_signal()
  821.  
  822. These two functions can be used in conjunction with locks to notify
  823. co-operating threads that a resource has become available. They are
  824. very similar in use to the functions found in C<pthreads>. However
  825. for most purposes, queues are simpler to use and more intuitive. See
  826. L<threads::shared> for more details.
  827.  
  828. =head1 General Thread Utility Routines
  829.  
  830. We've covered the workhorse parts of Perl's threading package, and
  831. with these tools you should be well on your way to writing threaded
  832. code and packages.  There are a few useful little pieces that didn't
  833. really fit in anyplace else.
  834.  
  835. =head2 What Thread Am I In?
  836.  
  837. The C<< threads->self >> class method provides your program with a way to
  838. get an object representing the thread it's currently in.  You can use this
  839. object in the same way as the ones returned from thread creation.
  840.  
  841. =head2 Thread IDs
  842.  
  843. tid() is a thread object method that returns the thread ID of the
  844. thread the object represents.  Thread IDs are integers, with the main
  845. thread in a program being 0.  Currently Perl assigns a unique tid to
  846. every thread ever created in your program, assigning the first thread
  847. to be created a tid of 1, and increasing the tid by 1 for each new
  848. thread that's created.
  849.  
  850. =head2 Are These Threads The Same?
  851.  
  852. The equal() method takes two thread objects and returns true 
  853. if the objects represent the same thread, and false if they don't.
  854.  
  855. Thread objects also have an overloaded == comparison so that you can do
  856. comparison on them as you would with normal objects.
  857.  
  858. =head2 What Threads Are Running?
  859.  
  860. C<< threads->list >> returns a list of thread objects, one for each thread
  861. that's currently running and not detached.  Handy for a number of things,
  862. including cleaning up at the end of your program:
  863.  
  864.     # Loop through all the threads 
  865.     foreach $thr (threads->list) { 
  866.         # Don't join the main thread or ourselves 
  867.         if ($thr->tid && !threads::equal($thr, threads->self)) { 
  868.             $thr->join; 
  869.         } 
  870.     }
  871.  
  872. If some threads have not finished running when the main Perl thread
  873. ends, Perl will warn you about it and die, since it is impossible for Perl
  874. to clean up itself while other threads are running
  875.  
  876. =head1 A Complete Example
  877.  
  878. Confused yet? It's time for an example program to show some of the
  879. things we've covered.  This program finds prime numbers using threads.
  880.  
  881.     1  #!/usr/bin/perl -w
  882.     2  # prime-pthread, courtesy of Tom Christiansen
  883.     3
  884.     4  use strict;
  885.     5
  886.     6  use threads;
  887.     7  use Thread::Queue;
  888.     8
  889.     9  my $stream = new Thread::Queue;
  890.     10 my $kid    = new threads(\&check_num, $stream, 2);
  891.     11
  892.     12 for my $i ( 3 .. 1000 ) {
  893.     13     $stream->enqueue($i);
  894.     14 } 
  895.     15
  896.     16 $stream->enqueue(undef);
  897.     17 $kid->join;
  898.     18
  899.     19 sub check_num {
  900.     20     my ($upstream, $cur_prime) = @_;
  901.     21     my $kid;
  902.     22     my $downstream = new Thread::Queue;
  903.     23     while (my $num = $upstream->dequeue) {
  904.     24         next unless $num % $cur_prime;
  905.     25         if ($kid) {
  906.     26            $downstream->enqueue($num);
  907.     27              } else {
  908.     28            print "Found prime $num\n";
  909.     29                  $kid = new threads(\&check_num, $downstream, $num);
  910.     30         }
  911.     31     } 
  912.     32     $downstream->enqueue(undef) if $kid;
  913.     33     $kid->join        if $kid;
  914.     34 }
  915.  
  916. This program uses the pipeline model to generate prime numbers.  Each
  917. thread in the pipeline has an input queue that feeds numbers to be
  918. checked, a prime number that it's responsible for, and an output queue
  919. into which it funnels numbers that have failed the check.  If the thread
  920. has a number that's failed its check and there's no child thread, then
  921. the thread must have found a new prime number.  In that case, a new
  922. child thread is created for that prime and stuck on the end of the
  923. pipeline.
  924.  
  925. This probably sounds a bit more confusing than it really is, so let's
  926. go through this program piece by piece and see what it does.  (For
  927. those of you who might be trying to remember exactly what a prime
  928. number is, it's a number that's only evenly divisible by itself and 1)
  929.  
  930. The bulk of the work is done by the check_num() subroutine, which
  931. takes a reference to its input queue and a prime number that it's
  932. responsible for.  After pulling in the input queue and the prime that
  933. the subroutine's checking (line 20), we create a new queue (line 22)
  934. and reserve a scalar for the thread that we're likely to create later
  935. (line 21).
  936.  
  937. The while loop from lines 23 to line 31 grabs a scalar off the input
  938. queue and checks against the prime this thread is responsible
  939. for.  Line 24 checks to see if there's a remainder when we modulo the
  940. number to be checked against our prime.  If there is one, the number
  941. must not be evenly divisible by our prime, so we need to either pass
  942. it on to the next thread if we've created one (line 26) or create a
  943. new thread if we haven't.
  944.  
  945. The new thread creation is line 29.  We pass on to it a reference to
  946. the queue we've created, and the prime number we've found.
  947.  
  948. Finally, once the loop terminates (because we got a 0 or undef in the
  949. queue, which serves as a note to die), we pass on the notice to our
  950. child and wait for it to exit if we've created a child (lines 32 and
  951. 37).
  952.  
  953. Meanwhile, back in the main thread, we create a queue (line 9) and the
  954. initial child thread (line 10), and pre-seed it with the first prime:
  955. 2.  Then we queue all the numbers from 3 to 1000 for checking (lines
  956. 12-14), then queue a die notice (line 16) and wait for the first child
  957. thread to terminate (line 17).  Because a child won't die until its
  958. child has died, we know that we're done once we return from the join.
  959.  
  960. That's how it works.  It's pretty simple; as with many Perl programs,
  961. the explanation is much longer than the program.
  962.  
  963. =head1 Performance considerations
  964.  
  965. The main thing to bear in mind when comparing ithreads to other threading
  966. models is the fact that for each new thread created, a complete copy of
  967. all the variables and data of the parent thread has to be taken. Thus
  968. thread creation can be quite expensive, both in terms of memory usage and
  969. time spent in creation. The ideal way to reduce these costs is to have a
  970. relatively short number of long-lived threads, all created fairly early
  971. on -  before the base thread has accumulated too much data. Of course, this
  972. may not always be possible, so compromises have to be made. However, after
  973. a thread has been created, its performance and extra memory usage should
  974. be little different than ordinary code.
  975.  
  976. Also note that under the current implementation, shared variables
  977. use a little more memory and are a little slower than ordinary variables.
  978.  
  979. =head1 Process-scope Changes
  980.  
  981. Note that while threads themselves are separate execution threads and
  982. Perl data is thread-private unless explicitly shared, the threads can
  983. affect process-scope state, affecting all the threads.
  984.  
  985. The most common example of this is changing the current working
  986. directory using chdir().  One thread calls chdir(), and the working
  987. directory of all the threads changes.
  988.  
  989. Even more drastic example of a process-scope change is chroot():
  990. the root directory of all the threads changes, and no thread can
  991. undo it (as opposed to chdir()).
  992.  
  993. Further examples of process-scope changes include umask() and
  994. changing uids/gids.
  995.  
  996. Thinking of mixing fork() and threads?  Please lie down and wait
  997. until the feeling passes-- but in case you really want to know,
  998. the semantics is that fork() duplicates all the threads.
  999. (In UNIX, at least, other platforms will do something different.)
  1000.  
  1001. Similarly, mixing signals and threads should not be attempted.
  1002. Implementations are platform-dependent, and even the POSIX
  1003. semantics may not be what you expect (and Perl doesn't even
  1004. give you the full POSIX API).
  1005.  
  1006. =head1 Thread-Safety of System Libraries
  1007.  
  1008. Whether various library calls are thread-safe is outside the control
  1009. of Perl.  Calls often suffering from not being thread-safe include:
  1010. localtime(), gmtime(), get{gr,host,net,proto,serv,pw}*(), readdir(),
  1011. rand(), and srand() -- in general, calls that depend on some global
  1012. external state.
  1013.  
  1014. If the system Perl is compiled in has thread-safe variants of such
  1015. calls, they will be used.  Beyond that, Perl is at the mercy of
  1016. the thread-safety or -unsafety of the calls.  Please consult your
  1017. C library call documentation.
  1018.  
  1019. In some platforms the thread-safe interfaces may fail if the result
  1020. buffer is too small (for example getgrent() may return quite large
  1021. group member lists).  Perl will retry growing the result buffer
  1022. a few times, but only up to 64k (for safety reasons).
  1023.  
  1024. =head1 Conclusion
  1025.  
  1026. A complete thread tutorial could fill a book (and has, many times),
  1027. but with what we've covered in this introduction, you should be well
  1028. on your way to becoming a threaded Perl expert.
  1029.  
  1030. =head1 Bibliography
  1031.  
  1032. Here's a short bibliography courtesy of Jⁿrgen Christoffel:
  1033.  
  1034. =head2 Introductory Texts
  1035.  
  1036. Birrell, Andrew D. An Introduction to Programming with
  1037. Threads. Digital Equipment Corporation, 1989, DEC-SRC Research Report
  1038. #35 online as
  1039. http://gatekeeper.dec.com/pub/DEC/SRC/research-reports/abstracts/src-rr-035.html
  1040. (highly recommended)
  1041.  
  1042. Robbins, Kay. A., and Steven Robbins. Practical Unix Programming: A
  1043. Guide to Concurrency, Communication, and
  1044. Multithreading. Prentice-Hall, 1996.
  1045.  
  1046. Lewis, Bill, and Daniel J. Berg. Multithreaded Programming with
  1047. Pthreads. Prentice Hall, 1997, ISBN 0-13-443698-9 (a well-written
  1048. introduction to threads).
  1049.  
  1050. Nelson, Greg (editor). Systems Programming with Modula-3.  Prentice
  1051. Hall, 1991, ISBN 0-13-590464-1.
  1052.  
  1053. Nichols, Bradford, Dick Buttlar, and Jacqueline Proulx Farrell.
  1054. Pthreads Programming. O'Reilly & Associates, 1996, ISBN 156592-115-1
  1055. (covers POSIX threads).
  1056.  
  1057. =head2 OS-Related References
  1058.  
  1059. Boykin, Joseph, David Kirschen, Alan Langerman, and Susan
  1060. LoVerso. Programming under Mach. Addison-Wesley, 1994, ISBN
  1061. 0-201-52739-1.
  1062.  
  1063. Tanenbaum, Andrew S. Distributed Operating Systems. Prentice Hall,
  1064. 1995, ISBN 0-13-219908-4 (great textbook).
  1065.  
  1066. Silberschatz, Abraham, and Peter B. Galvin. Operating System Concepts,
  1067. 4th ed. Addison-Wesley, 1995, ISBN 0-201-59292-4
  1068.  
  1069. =head2 Other References
  1070.  
  1071. Arnold, Ken and James Gosling. The Java Programming Language, 2nd
  1072. ed. Addison-Wesley, 1998, ISBN 0-201-31006-6.
  1073.  
  1074. comp.programming.threads FAQ,
  1075. L<http://www.serpentine.com/~bos/threads-faq/>
  1076.  
  1077. Le Sergent, T. and B. Berthomieu. "Incremental MultiThreaded Garbage
  1078. Collection on Virtually Shared Memory Architectures" in Memory
  1079. Management: Proc. of the International Workshop IWMM 92, St. Malo,
  1080. France, September 1992, Yves Bekkers and Jacques Cohen, eds. Springer,
  1081. 1992, ISBN 3540-55940-X (real-life thread applications).
  1082.  
  1083. Artur Bergman, "Where Wizards Fear To Tread", June 11, 2002,
  1084. L<http://www.perl.com/pub/a/2002/06/11/threads.html>
  1085.  
  1086. =head1 Acknowledgements
  1087.  
  1088. Thanks (in no particular order) to Chaim Frenkel, Steve Fink, Gurusamy
  1089. Sarathy, Ilya Zakharevich, Benjamin Sugars, Jⁿrgen Christoffel, Joshua
  1090. Pritikin, and Alan Burlison, for their help in reality-checking and
  1091. polishing this article.  Big thanks to Tom Christiansen for his rewrite
  1092. of the prime number generator.
  1093.  
  1094. =head1 AUTHOR
  1095.  
  1096. Dan Sugalski E<lt>dan@sidhe.org<gt>
  1097.  
  1098. Slightly modified by Arthur Bergman to fit the new thread model/module.
  1099.  
  1100. Reworked slightly by J÷rg Walter E<lt>jwalt@cpan.org<gt> to be more concise
  1101. about thread-safety of perl code.
  1102.  
  1103. =head1 Copyrights
  1104.  
  1105. The original version of this article originally appeared in The Perl
  1106. Journal #10, and is copyright 1998 The Perl Journal. It appears courtesy
  1107. of Jon Orwant and The Perl Journal.  This document may be distributed
  1108. under the same terms as Perl itself.
  1109.  
  1110. For more information please see L<threads> and L<threads::shared>.
  1111.  
  1112.