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C言語でLinuxにおける資源アクセスプロトコルPIPの実装を教えて！
こういった悩みにお答えします．
本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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目次
【C言語】Linuxにおける資源アクセスプロトコルPIPの実装
C言語でLinuxにおける資源アクセスプロトコルPIPの実装を紹介します．
本記事は以下の記事を理解していることを前提としています．
本記事で利用するタスクセット（タスク数は3）における各々のタスクの動作は以下になります．
タスク1とタスク3のクリティカルセクションは共通しています．
- タスク1：2秒スリープ，1秒実行，クリティカルセクションに進入，1秒実行，クリティカルセクションから退出，1秒実行
- タスク2：4秒スリープ，1秒実行
- タスク3：1秒実行，クリティカルセクションに進入，3秒実行，クリティカルセクションから退出，1秒実行
異なる優先度の3スレッドを実行
異なる優先度の3スレッドを実行するコードは以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #define _GNU_SOURCE #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <linux/types.h> #include <sys/syscall.h> #include <sys/sysinfo.h> #include <sys/mman.h> #include <pthread.h> #include <math.h> struct sched_attr { __u32 size; __u32 sched_policy; __u64 sched_flags; /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */ __s32 sched_nice; /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */ __u32 sched_priority; /* SCHED_DEADLINE (nsec) */ __u64 sched_runtime; __u64 sched_deadline; __u64 sched_period; /* Utilization hints */ __u32 sched_util_min; __u32 sched_util_max; }; #define SEC2NSEC(sec) ((sec) * 1000 * 1000 * 1000L) int sched_setattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int flags) { return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags); } int sched_getattr(pid_t pid, struct sched_attr *attr, unsigned int size, unsigned int flags) { return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags); } #define TASK_NUM 3 #define ARGS_NUM 2 pthread_mutex_t shared_mutex; pthread_mutexattr_t mutex_prioinherit; int migrate_thread_to_cpu(pid_t tid, int target_cpu) { cpu_set_t *cpu_set; size_t size; int nr_cpus; int ret; if ((nr_cpus = get_nprocs()) == -1) { perror("get_nprocs()"); exit(1); } if (target_cpu < 0 || target_cpu >= nr_cpus) { fprintf(stderr, "Error: target_cpu %d is in [0,%d).\n", target_cpu, nr_cpus); exit(2); } if ((cpu_set = CPU_ALLOC(nr_cpus)) == NULL) { perror("CPU_ALLOC"); exit(3); } size = CPU_ALLOC_SIZE(nr_cpus); CPU_ZERO_S(size, cpu_set); CPU_SET_S(target_cpu, size, cpu_set); if ((ret = sched_setaffinity(tid, size, cpu_set)) == -1) { perror("sched_setaffinity"); exit(4); } CPU_FREE(cpu_set); return ret; } void timespec_diff(struct timespec *result, const struct timespec *end, const struct timespec *begin) { if (end->tv_nsec - begin->tv_nsec < 0) { result->tv_sec = end->tv_sec - begin->tv_sec - 1; result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec + 1000000000; } else { result->tv_sec = end->tv_sec - begin->tv_sec; result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec; } } void execute(int n, int id) { struct timespec th_now, th_next, diff; int counter = 0; printf("Task %d begins execution.\n", id); if (clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &th_now) != 0) { perror("clock_gettime"); exit(1); } do { counter++; if (counter % 1000000 == 0) { printf("Task %d is running on cpu %d.\n", id, sched_getcpu()); } if (clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &th_next) != 0) { perror("clock_gettime"); exit(2); } timespec_diff(&diff, &th_next, &th_now); } while (SEC2NSEC(diff.tv_sec) + diff.tv_nsec <= SEC2NSEC(n)); printf("Task %d ends execution.\n", id); } void *func(void *args) { struct timespec *tp = (struct timespec *)((void **) args)[0]; int id = *(int *)((void **) args)[1]; struct timespec next = {tp->tv_sec, tp->tv_nsec}; struct sched_attr attr, attr2; int ret; unsigned int flags = 0; attr.size = sizeof(attr); attr.sched_policy = SCHED_FIFO; attr.sched_flags = 0; attr.sched_nice = 0; attr.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO) - id - 1; attr.sched_runtime = attr.sched_period = attr.sched_deadline = 0; // not used attr.sched_util_min = 0; attr.sched_util_max = 0; if ((ret = sched_setattr(0, &attr, flags)) < 0) { perror("sched_setattr"); exit(1); } if ((ret = sched_getattr(0, &attr2, sizeof(struct sched_attr), flags)) < 0) { perror("sched_getattr"); exit(2); } // sleep until begin time. if (clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &next, NULL) != 0) { perror("clock_nanosleep"); exit(3); } switch (id) { case 1: sleep(2); execute(1, id); if (pthread_mutex_lock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot lock\n"); exit(4); } printf("Task %d enters a critical section.\n", id); execute(1, id); printf("Task %d leaves a critical section.\n", id); if (pthread_mutex_unlock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(5); } execute(1, id); break; case 2: sleep(4); execute(1, id); break; case 3: execute(1, id); if (pthread_mutex_lock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot lock\n"); exit(6); } printf("Task %d enters a critical section.\n", id); execute(3, id); printf("Task %d leaves a critical section.\n", id); if (pthread_mutex_unlock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(7); } execute(1, id); break; default: fprintf(stderr, "Error: unknown id: %d\n", id); break; } return NULL; } int main(void) { pthread_t threads[TASK_NUM]; int ids[TASK_NUM]; struct timespec tp; void *args[TASK_NUM][ARGS_NUM]; int i; pid_t tid = gettid(); // migrate thread to CPU 0. migrate_thread_to_cpu(tid, 0); if (mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE) == -1) { perror("mlockall"); exit(1); } if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tp) != 0) { perror("clock_getitme"); exit(2); } // begin time is current time + 1.X [s] (at least 1 second waiting from current time). tp.tv_sec += 2; tp.tv_nsec = 0; if (pthread_mutexattr_init(&mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutexattr_init"); exit(3); } if (pthread_mutex_init(&shared_mutex, &mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutex_init"); exit(4); } for (i = 0; i < TASK_NUM; i++) { ids[i] = i + 1; args[i][0] = &tp; args[i][1] = &ids[i]; pthread_create(&threads[i], NULL, func, args[i]); } for (i = 0; i < TASK_NUM; i++) { pthread_join(threads[i], NULL); } if (pthread_mutexattr_destroy(&mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutexattr_destroy"); exit(3); } if (pthread_mutex_destroy(&shared_mutex)) { perror("pthread_mutexattr_destroy"); exit(4); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
上図の通り，タスクが3->1->3->2->3->1->3の順番で実行することを確認しましょう！
【第28回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「資源アクセスプロトコル」で述べた通り，優先度逆転が発生していることがわかります．
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$ gcc priority_inversion.c $ sudo ./a.out Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. Task 3 enters a critical section. Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 2 begins execution. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 ends execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. Task 3 leaves a critical section. Task 1 enters a critical section. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 1 leaves a critical section. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. |
異なる優先度の3スレッドをPIPで実行
異なる優先度の3スレッドをPIPで実行するコードは以下になります．
優先度逆転が発生するコードとの違いは，main関数でpthread_mutexattr_setprotocol関数を呼び出して優先度継承を設定していることです．
つまり，PIPは透過的なプロトコルなので，タスクのコード（func関数）を変更せずに実装することができます．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #define _GNU_SOURCE #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <linux/types.h> #include <sys/syscall.h> #include <sys/sysinfo.h> #include <sys/mman.h> #include <pthread.h> #include <math.h> struct sched_attr { __u32 size; __u32 sched_policy; __u64 sched_flags; /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */ __s32 sched_nice; /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */ __u32 sched_priority; /* SCHED_DEADLINE (nsec) */ __u64 sched_runtime; __u64 sched_deadline; __u64 sched_period; /* Utilization hints */ __u32 sched_util_min; __u32 sched_util_max; }; #define SEC2NSEC(sec) ((sec) * 1000 * 1000 * 1000L) int sched_setattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int flags) { return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags); } int sched_getattr(pid_t pid, struct sched_attr *attr, unsigned int size, unsigned int flags) { return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags); } #define TASK_NUM 3 #define ARGS_NUM 2 pthread_mutex_t shared_mutex; pthread_mutexattr_t mutex_prioinherit; int migrate_thread_to_cpu(pid_t tid, int target_cpu) { cpu_set_t *cpu_set; size_t size; int nr_cpus; int ret; if ((nr_cpus = get_nprocs()) == -1) { perror("get_nprocs()"); exit(1); } if (target_cpu < 0 || target_cpu >= nr_cpus) { fprintf(stderr, "Error: target_cpu %d is in [0,%d).\n", target_cpu, nr_cpus); exit(2); } if ((cpu_set = CPU_ALLOC(nr_cpus)) == NULL) { perror("CPU_ALLOC"); exit(3); } size = CPU_ALLOC_SIZE(nr_cpus); CPU_ZERO_S(size, cpu_set); CPU_SET_S(target_cpu, size, cpu_set); if ((ret = sched_setaffinity(tid, size, cpu_set)) == -1) { perror("sched_setaffinity"); exit(4); } CPU_FREE(cpu_set); return ret; } void timespec_diff(struct timespec *result, const struct timespec *end, const struct timespec *begin) { if (end->tv_nsec - begin->tv_nsec < 0) { result->tv_sec = end->tv_sec - begin->tv_sec - 1; result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec + 1000000000; } else { result->tv_sec = end->tv_sec - begin->tv_sec; result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec; } } void execute(int n, int id) { struct timespec th_now, th_next, diff; int counter = 0; printf("Task %d begins execution.\n", id); if (clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &th_now) != 0) { perror("clock_gettime"); exit(1); } do { counter++; if (counter % 1000000 == 0) { printf("Task %d is running on cpu %d.\n", id, sched_getcpu()); } if (clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID, &th_next) != 0) { perror("clock_gettime"); exit(2); } timespec_diff(&diff, &th_next, &th_now); } while (SEC2NSEC(diff.tv_sec) + diff.tv_nsec <= SEC2NSEC(n)); printf("Task %d ends execution.\n", id); } void *func(void *args) { struct timespec *tp = (struct timespec *)((void **) args)[0]; int id = *(int *)((void **) args)[1]; struct timespec next = {tp->tv_sec, tp->tv_nsec}; struct sched_attr attr, attr2; int ret; unsigned int flags = 0; attr.size = sizeof(attr); attr.sched_policy = SCHED_FIFO; attr.sched_flags = 0; attr.sched_nice = 0; attr.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO) - id - 1; attr.sched_runtime = attr.sched_period = attr.sched_deadline = 0; // not used attr.sched_util_min = 0; attr.sched_util_max = 0; if ((ret = sched_setattr(0, &attr, flags)) < 0) { perror("sched_setattr"); exit(1); } if ((ret = sched_getattr(0, &attr2, sizeof(struct sched_attr), flags)) < 0) { perror("sched_getattr"); exit(2); } // sleep until begin time. if (clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &next, NULL) != 0) { perror("clock_nanosleep"); exit(3); } switch (id) { case 1: sleep(2); execute(1, id); if (pthread_mutex_lock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot lock\n"); exit(4); } printf("Task %d enters a critical section.\n", id); execute(1, id); printf("Task %d leaves a critical section.\n", id); if (pthread_mutex_unlock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(5); } execute(1, id); break; case 2: sleep(4); execute(1, id); break; case 3: execute(1, id); if (pthread_mutex_lock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot lock\n"); exit(6); } printf("Task %d enters a critical section.\n", id); execute(3, id); printf("Task %d leaves a critical section.\n", id); if (pthread_mutex_unlock(&shared_mutex) != 0) { fprintf(stderr, "Error: cannot unlock\n"); exit(7); } execute(1, id); break; default: fprintf(stderr, "Error: unknown id: %d\n", id); break; } return NULL; } int main(void) { pthread_t threads[TASK_NUM]; int ids[TASK_NUM]; struct timespec tp; void *args[TASK_NUM][ARGS_NUM]; int i; pid_t tid = gettid(); // migrate thread to CPU 0. migrate_thread_to_cpu(tid, 0); if (mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE) == -1) { perror("mlockall"); exit(1); } if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &tp) != 0) { perror("clock_getitme"); exit(2); } // begin time is current time + 1.X [s] (at least 1 second waiting from current time). tp.tv_sec += 2; tp.tv_nsec = 0; if (pthread_mutexattr_init(&mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutexattr_init"); exit(3); } if (pthread_mutexattr_setprotocol(&mutex_prioinherit, PTHREAD_PRIO_INHERIT)) { perror("pthread_mutexattr_setprotocol"); exit(4); } if (pthread_mutex_init(&shared_mutex, &mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutex_init"); exit(5); } for (i = 0; i < TASK_NUM; i++) { ids[i] = i + 1; args[i][0] = &tp; args[i][1] = &ids[i]; pthread_create(&threads[i], NULL, func, args[i]); } for (i = 0; i < TASK_NUM; i++) { pthread_join(threads[i], NULL); } if (pthread_mutexattr_destroy(&mutex_prioinherit)) { perror("pthread_mutexattr_destroy"); exit(6); } if (pthread_mutex_destroy(&shared_mutex)) { perror("pthread_mutexattr_destroy"); exit(7); } return 0; } |
実行結果は以下になります．
上図の通り，タスクが3->1->3->1->2->3の順番で実行することを確認しましょう！
【第30回】元東大教員から学ぶリアルタイムシステム「Priority Inheritance Protocol」で述べた通り，優先度逆転をPIPで解決できていることがわかります．
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$ gcc priority_inheritance.c $ sudo ./a.out Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. Task 3 enters a critical section. Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. Task 3 leaves a critical section. Task 1 enters a critical section. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 1 leaves a critical section. Task 1 begins execution. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 is running on cpu 0. Task 1 ends execution. Task 2 begins execution. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 is running on cpu 0. Task 2 ends execution. Task 3 begins execution. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 is running on cpu 0. Task 3 ends execution. |
まとめ
C言語でLinuxにおける資源アクセスプロトコルPIPの実装を紹介しました．
具体的には，優先度逆転が発生するコードとPIPで解決するコードを解説しました．
C言語を独学で習得することは難しいです．
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