Thread Runner come usare i thread in C - pt.3

Eldon Tyrell: La luce che arde col doppio di splendore brucia per metà tempo. E tu hai sempre bruciato la tua candela da due parti, Roy. Guardati: tu sei il figliol prodigo. Sei motivo d'orgoglio per me.
Roy Batty: Ho fatto delle cose discutibili...
Eldon Tyrell: Anche delle cose straordinarie, Roy. Godi più che puoi.
Roy Batty: Cose per cui il Dio della biomeccanica non ti farebbe entrare in paradiso.

(...una premessa: questo post è un remake di un mio vecchio post (parte 3 di 3). Ma, anche se tratta lo stesso argomento, amplia e perfeziona un po' il discorso è mi è sembrato il caso di riproporlo. Leggete e mi direte...)

Con questo post chiudiamo (in bellezza, spero) il mini-ciclo sui thread, ispirato al mitico Blade Runner del Maestro Ridley Scott.

...è qui che si scrivono applicazioni multithread?...

Dopo gli esempi base delle prime due parti del ciclo (che avete appena riletto, vero? qui e qui), è il caso di fare un esempio pratico di una delle tante applicazioni che possono usare i thread. E tra le tante ne ho scelto una che mi sembra interessante, ovvero un Socket Server multithread, dove ogni connessione con un Client remoto viene gestita con un thread separato. Una raccomandazione: prima di andare avanti dovreste rileggere un mio vecchio post, e cioè: Il Server oscuro - Il ritorno, che è una ideale introduzione all'argomento in corso, visto che descrive (e bene, spero) funzionalità e codice di un Socket Server monothread. Tra l'altro (come noterete tra poco) il nuovo codice che vi mostrerò è parente strettissimo di quello mostrato nel vecchio post.

E ora bando alle ciance, vai col codice!

// sockserver-mt.c - un semplice socket server multithread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>
#define BACKLOG   10      // per listen()
#define MYBUFSIZE 1024
// prototipi locali
void *connHandler(void *conn_sock);
// funzione main()
int main(int argc, char *argv[])
{
    // test argomenti
    if (argc != 2) {
        // errore args
        printf("%s: numero argomenti errato\n", argv[0]);
        printf("uso: %s port [i.e.: %s 9999]\n", argv[0], argv[0]);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // creo il socket in modo Network e Stream
    int sock;
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) == -1) {
        // errore di creazione
        printf("%s: non posso creare il socket (%s)\n", argv[0], strerror(errno));
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // prepara la struttura sockaddr_in per questo server
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;            // set address family
    server.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;    // set server address per qualunque interfaccia
    server.sin_port = htons(atoi(argv[1])); // set port number del server
    // associa l'indirizzo del server al socket
    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
        // errore bind
        printf("%s: errore bind (%s)\n", argv[0], strerror(errno));
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // start ascolto con una coda di max BACKLOG connessioni
    if (listen(sock, BACKLOG) == -1) {
        // errore listen
        printf("%s: errore listen (%s)\n", argv[0], strerror(errno));
        close(sock);
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // accetta connessioni da un client entrante
    printf("%s: attesa connessioni entranti...\n", argv[0]);
    pthread_t thread_id;
    socklen_t socksize = sizeof(struct sockaddr_in);
    struct sockaddr_in client;          // (remote) client socket info
    int client_sock;
    while ((client_sock = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &socksize)) != -1) {
        printf("%s: connessione accettata dal sock %d\n", argv[0], client_sock);
        if (pthread_create(&thread_id, NULL, &connHandler, (void*)&client_sock) == -1) {
            // errore pthread_create()
            printf("%s: errore pthread_create (%s)\n", argv[0], strerror(errno));
            close(sock);
            return EXIT_FAILURE;
        }
    }
    // errore accept()
    printf("%s: errore accept (%s)\n", argv[0], strerror(errno));
    close(sock);
    return EXIT_FAILURE;
}
// connHandler() - funzione di connessione eseguita dai thread
void *connHandler(void *conn_sock)
{
    // ottengo i dati del thread con un cast (int *) di (void *) conn_sock
    int client_sock = *(int*)conn_sock;
    // loop di ricezione messaggi dal client
    int read_size;
    char client_msg[MYBUFSIZE];
    while ((read_size = recv(client_sock, client_msg, MYBUFSIZE, 0)) > 0) {
        // send messaggio di ritorno al client
        printf("%s: ricevuto messaggio dal sock %d: %s\n", __func__, client_sock, client_msg);
        char server_msg[MYBUFSIZE];
        snprintf(server_msg, sizeof(server_msg), "mi hai scritto: %s", client_msg);
        send(client_sock, server_msg, strlen(server_msg), 0);
        // clear del buffer
        memset(client_msg, 0, MYBUFSIZE);
    }
    // loop terminato: test motivo
    if (read_size == -1) {
        // errore recv()
        printf("%s: errore recv (sock %d)\n", __func__, client_sock);
    }
    else {
        // read_size == 0: il client si è disconnesso
        printf("%s: client disconnesso (sock %d)\n", __func__, client_sock);
    }
    // il chiude il socket ed esce
    close(client_sock);
    pthread_exit(NULL);
}

Ok, non stiamo a raccontare di nuovo come funziona un Socket Server (già fatto nel vecchio post, rileggere attentamente, please), ma concentriamoci sulle differenze tra il codice monothread e quello multithread: sicuramente avrete notato che sono praticamente identici fino alla fase di listen(2), e anche dopo le differenze sono minime: la fase di accept(2) adesso è in un loop, e per ogni connessione accettata (di un Client  remoto) viene creato un nuovo thread. E cosa esegue il thread? Esegue la funzione locale connHandler() che contiene, guarda caso, il loop di recv(2) che nel vecchio codice era eseguito subito dopo la fase di accept(2). Anche il successivo test del motivo di uscita (prematura) dal loop è contenuto in connHandler(), e mostra il corretto segnale di errore (errore recv o client disconnesso, in base al codice ritornato dalla recv(2)).

Cosa aggiungere? È semplice e super-funzionale: un Socket Server multithread con quattro righe di codice! Ovviamente la sintassi di creazione del thread e l'esecuzione della thread function dello stesso sono identiche a quelle descritte qui. Per testare il nostro Socket Server è necessario compilare anche un Socket Client  (ovviamente quello descritto in un altro mio vecchio post, Il Client oscuro), ed eseguire, ad esempio, una istanza del Socket Server e due istanze del Socket Client (in tre terminali diversi della stessa macchina, oppure su tre macchine diverse). Eseguendo sulla mia macchina (Linux, ovviamente) su tre terminali il risultato è il seguente:

Nel terminale 1:

ldo@Linux $ ./sockserver-mt 9999
./sockserver-mt: attesa connessioni entranti...
./sockserver-mt: connessione accettata dal sock 4
./sockserver-mt: connessione accettata dal sock 5
connHandler: ricevuto messaggio dal sock 4: pippo
connHandler: ricevuto messaggio dal sock 5: pluto
connHandler: client disconnesso (sock 4)
connHandler: client disconnesso (sock 5)

Nel terminale 2:

aldo@Linux $ ./sockclient 127.0.0.1 9999
Scrivi un messaggio per il Server remoto: pippo
./sockclient: Server reply: mi hai scritto: pippo
Scrivi un messaggio per il Server remoto: ^C

Nel terminale 3:

aldo@Linux $ ./sockclient 127.0.0.1 9999
Scrivi un messaggio per il Server remoto: pluto
./sockclient: Server reply: mi hai scritto: pluto
Scrivi un messaggio per il Server remoto: ^C

notare che quando uno dei Client esce (con un CTRL-C, ad esempio) il Server se ne accorge e visualizza, come previsto, client disconnesso... perfetto!

A questo punto, però, è doveroso aggiungere due note a margine:

1. Multitreading vs Multiplexing

Come già scrissi in altri articoli (qui, qui e qui), non necessariamente il multithreading è la scelta migliore (anzi, spesso non lo è). Ad esempio proprio sull'argomento Server TCP multithread (come quello descritto sopra), nel mio articolo sulla select(2) parlai della diatriba multithreading vs multiplexing e scrissi questo:

...Un piccolo esempio: un buon Server TCP che serve 10000 Client: secondo voi è più efficiente e funzionale aprire 10000 thread che aspettano i dati dai Client o usare il multiplexing ?...

Quindi occhio: in un programma la stessa cosa si può fare in modi molto differenti, per cui non fatevi prendere dalla fretta o dalle mode del momento e cercate sempre di dedicare del tempo alla scelta della soluzione ottimale.

2. La strerror(3)

Avrete notato che nell'esempio qui sopra ho usato la strerror(3) nelle varie segnalazioni di errore: considerando che ho già scritto in passato che nei programmi multithread  bisogna sempre usare la strerror_r(3) qualcuno potrebbe pensare che sono improvvisamente rincoglionito (potrebbe anche essere, eh!). In realtà e` successa una cosa che avevo previsto (sono un preveggente, ah ah ah), infatti avevo scritto, proprio in quell'articolo:

...non è vietato scrivere una strerror() che sia thread-safe, e in alcuni sistemi lo è: ma visto che secondo lo standard non lo è, non possiamo essere sicuri che sul sistema che stiamo usando (o sul sistema su cui, un giorno, girerà la applicazione che stiamo scrivendo) non ci sia una implementazione come quella appena descritta...

Ecco, alla fine è successo: la strerror(3) standard ora è thread-safe, infatti nelle ultime versioni dei manuali Linux della funzione c'è questa descrizione:

ATTRIBUTES
For an explanation of the terms used in this section, see attributes(7).
┌────────────────────┬───────────────┬──────────────────────────┐
│ Interface          │ Attribute     │ Value                    │
├────────────────────┼───────────────┼──────────────────────────┤
│ strerror()         │ Thread safety │ MT-Safe                  │
├────────────────────┼───────────────┼──────────────────────────┤
│ strerrorname_np(), │ Thread safety │ MT-Safe                  │
│ strerrordesc_np()  │               │                          │
├────────────────────┼───────────────┼──────────────────────────┤
│ strerror_r(),      │ Thread safety │ MT-Safe                  │
│ strerror_l()       │               │                          │
└────────────────────┴───────────────┴──────────────────────────┘
Before glibc 2.32, strerror() is not MT-Safe.

E quindi cosa bisogna fare? Io direi che valgono ancora le considerazioni che feci al tempo: adesso si può usare con discreta tranquillità la strerror(3) in un nuovo programma multithread, ma con la cautela di valutare se quel programma non finirà per essere compilato e usato su qualche sistema non molto aggiornato, eh! E soprattutto non vi passi per la testa di andare a fare refactoring di vecchi sorgenti sostituendo le strerror_r(3) con strerror(3): sarebbe un lavoro inutile e che non tiene presente le accortezze appena descritte. Meditate gente, meditate...

Ok, con i thread direi che abbiamo finito. Adesso cercherò di pensare a qualche nuovo interessante argomento per il prossimo post. Come sempre vi invito a non trattenere il respiro nell'attesa...

Ciao e al prossimo post!