Вопрос или проблема
Мы находимся в параллельном сценарии, где у нас есть n параллельных процессов. Используя политику синхронизации (например, с помощью труб или сигналов), каждый процесс может выводить данные с помощью printf(“строка\n”) только в том случае, если он получает токен от предыдущего процесса, что обеспечивает конкретный порядок печати.
Когда stdout подключен к терминалу (например, консоли), ожидаемый порядок печати соблюдается, что означает, что процессы выводят данные в точно определенном порядке, заданном политикой синхронизации. Однако, когда stdout перенаправлен в файл или другой процесс, порядок вывода может не соблюдаться, даже если процессы все равно правильно следуют политике синхронизации.
Мы знаем, что printf по умолчанию использует буферизацию, что означает, что он не записывает данные в stdout немедленно, а накапливает вывод в буфере перед его сбросом. В параллельной среде кажется, что операционная система записывает буфер каждого процесса в порядке, независимом от предполагаемой политики синхронизации, что вызывает несоответствия в выводе. Это неожиданно, учитывая, что каждый процесс правильно следует политике.
Однако эта проблема не возникает, если реализовать одно из следующих решений:
- Принудительный сброс после каждого вызова printf с использованием fflush(stdout);
- Отключение буферизации для stdout в каждом дочернем процессе с использованием setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);.
- Использование системного вызова write(1, “строка\n”, strlen(“строка\n”)); вместо printf, так как write обходит буферизацию и напрямую записывает в stdout.
Кто-нибудь знает, почему это происходит? Какова политика операционной системы в этом отношении?
Ответ или решение
В условиях многопоточности и параллельного выполнения процессов, проблема с порядком вывода printf может быть достаточно запутанной и вызвать множество вопросов. Рассмотрим эту проблему более подробно, чтобы понять, почему ожидаемый порядок вывода не соблюдается в сценариях, где стандартный вывод (stdout) перенаправляется или передается через конвейеры (pipes).
1. Природа буферизации вывода
Функция printf использует буферизацию, что означает, что данные, которые должны быть выведены, сначала собираются в буфере, а затем отправляются на stdout в определенные моменты (например, когда буфер заполняется, когда вызывается fflush, или когда процесс завершается). Это сделано для оптимизации производительности, чтобы избежать слишком частых вызовов системных вызовов для записи на экран или в файл.
2. Параллельное выполнение процессов
Когда у вас есть n параллельно выполняющихся процессов, каждый из которых вызывает printf, каждый процесс формирует свой собственный буфер. Из-за этого, даже если соблюдается синхронизация и один процесс ожидает разрешения от другого на вывод, существует риск, что данные из различных буферов будут перемешаны.
Когда stdout подключен к терминалу, система, как правило, обеспечивает вывод в порядке, в котором данные поступают в stdout. Однако в случае перенаправления или конвейеров данные могут обрабатываться различными экземплярами, и порядок этих финальных записей может не соответствовать порядку их отправки.
3. Политика операционной системы
Работа с буферизацией связана с тем, как ОС управляет вводом и выводом и как обрабатываются системные вызовы. Когда данные из буферов разных процессов выводятся, операционная система может произвольно выбирать, чей буфер записать в данный момент. Из-за этого может наблюдаться перемешивание вывода, особенно если несколько процессов завершают свои операции в одно и то же время, и их буферы готовы к записи.
4. Возможные решения
Чтобы избежать этой проблемы, необходимо применить одно из следующих решений:
-
Принудительное сброс (flush): Вызов функции
fflush(stdout)после каждогоprintfгарантирует, что данные из буфера будут немедленно отправлены вstdout, что позволяет сохранить порядок вывода. -
Отключение буферизации: Использование
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);отключает буферизацию для стандартного вывода, что также гарантирует, что каждый вызовprintfбудет сразу отражен в выходных данных. -
Использование системного вызова: Прямой вызов
write(1, "строка\n", strlen("строка\n"));обходит механизм буферизации, посколькуwriteявляется более низкоуровневым и немедленно выполняет запись вstdout.
Заключение
Проблема с порядком вывода, наблюдаемая в условиях многопоточности и при перенаправлении стандартного вывода, коренится в буферизации и политике операционной системы. Понимание этой проблемы — важный аспект при разработке систем, использующих параллельные процессы и требующих четкого порядка вывода данных. Правильное применение указанных решений обеспечивает ожидаемый результат и гладкую работу программных систем в сложных сценариях.