線程和進(jìn)程

Ruby給了你兩個基本的方法來組織你的程序，使它同時能運行自己的不同部分。你可以使用線程在程序內(nèi)部將任務(wù)分割，或者將任務(wù)分解為不同的程序，使用多進(jìn)程來運行。下面我們輪流看一下這兩種方法。

多線程

一般來說在Ruby中同時做兩件事情最簡單的是使用Ruby線程。線程在進(jìn)程中，由Ruby解釋器實現(xiàn)。這使得Ruby線程也能完全的可移至，因為它不需要依賴特定的操作系統(tǒng)，但是這樣你也不能利用本地線程（native threads）的優(yōu)點了。你也許有過線程饑餓得經(jīng)驗（優(yōu)先級低的線程沒有機會運行）。也許你會遇到線程死鎖，整個進(jìn)程都被掛起?；蛘咭恍┚€程的某些操作占用了CPU的太多時間，以至于其它線程不得不等待。但是，不要被這些潛在的問題嚇倒，Ruby線程是使你程序并行運行的輕量而有效的方法。

創(chuàng)建 Ruby 線程

創(chuàng)建一個新的線程十分簡單，下面的部分代碼并行的下載一些網(wǎng)頁，每次有請求調(diào)用，這段代碼都將產(chǎn)生一個獨立的線程處理HTTP傳輸。

require?'net/http'
 
pages?=?%w(?www.rubycentral.com   
????????????www.awl.com   
????????????www.pragmaticprogrammer.com   
???????????)
 
threads?=?[]
 
for?page?in?pages   
??threads?<<?Thread.new(page)?{?|myPage|
 
????h?=?Net::HTTP.new(myPage,?80)   
????puts?"Fetching:?#{myPage}"   
????resp,?data?=?h.get('/',?nil?)   
????puts?"Got?#{myPage}:??#{resp.message}"   
??}   
end
 
threads.each?{?|aThread|??aThread.join?}
 

Fetching:?www.rubycentral.com
Fetching:?www.awl.com
Fetching:?www.pragmaticprogrammer.com
Got?www.rubycentral.com:??OK
Got?www.pragmaticprogrammer.com:??OK
Got?www.awl.com:??OK

讓我們更詳細(xì)的看看這段代碼，這里有一些新技巧在里面。

新線程用 Thread.new 創(chuàng)建，這個方法接收一個block作為線程中要運行的代碼，在我們的例子里面，這個block使用net/http庫從每個指定的站點抓取首頁，從我們打印出來的信息來看，這些抓取活動是同時進(jìn)行的。

當(dāng)我們創(chuàng)建線程的時候，我們將這個HTML頁面作為參數(shù)傳入，這個參數(shù)然后作為myPage參數(shù)傳給了block。為什么我們這么做而不是直接在block里面用page這個變量那？

一個線程共享了所有在它啟動之前已經(jīng)存在的所有全局變量，實例變量和局部變量。善意的人有時候會告訴你，共享有時候不一定是好事。在這個例子里面，3個線程將共享page變量，第一個線程啟動之后，page被設(shè)為http://www.rubycentral.com，在這個時候，創(chuàng)建線程的循環(huán)還沒有結(jié)束，第二次，page被設(shè)為http://www.awl.com，如果第一個線程還沒有使用page變量運行完畢，那么可能這個線程會使用page的新值。這個bug將很難被跟蹤發(fā)現(xiàn)。

但是，在線程塊中創(chuàng)建的局部變量的作用域只在創(chuàng)建它的線程里，而不能被其它線程共享。在我們的例子里面，變量myPage將在線程被創(chuàng)建時賦值，每個線程都有自己的myPage變量的拷貝。

多線程

另一個很微妙的地方是程序的最后一行，為什么我們調(diào)用所創(chuàng)每個建線程的join方法？

當(dāng)一個Ruby程序結(jié)束退出的時候，它會殺死所有的線程，而不管它們的狀態(tài)。但是，你可以通過線程的 Thread#join 方法，使得主程序在等待這個線程結(jié)束后再退出。調(diào)用它的線程將會被阻塞，直到給定的線程結(jié)束。通過調(diào)用3個線程的join方法，你可以確定這三個請求將會在主程序退出之前完成。

?除了join，還有其它幾個用于控制線程的方便的方法。首先，你可以用 Thread.current 來訪問當(dāng)前線程，你可以用 Thread.list 來取得所有線程列表，這個列表包括所有可運行或者已停止的線程。為了檢測一個線程的狀態(tài)，可以用方法 Thread#status 和 Thread#alive? 。

另外，你可以使用 Thread#priority= 來設(shè)置線程的不同的優(yōu)先級別。高優(yōu)先級的將會先于低優(yōu)先級的線程執(zhí)行。

線程變量

在上面我們已經(jīng)說過，一個線程可以訪問在它定義之前已經(jīng)存在的，在作用域范圍內(nèi)的變量，但是，在線程內(nèi)部定義的變量的作用域只在這個線程內(nèi)部有效。

但是，如果你想一個線程的變量能被其它線程訪問，包括主線程，該怎么辦呢？Ruby中的線程提供了一個功能，就是能夠按名字創(chuàng)建和訪問線程內(nèi)的局部變量。你可以簡單的把這個線程對象作為一個哈希，使用[ ]=方法寫這個對象的變量值，用 [ ]來讀它的值。在這個例子里，?每個線程記錄當(dāng)前變量count的值，把它存到線程的局部變量，名字（key）為mycount。（這里有競爭條件的出現(xiàn)，但是我們還沒有談到同步問題，這里我們只是忽略它們。）

count?=?0
arr?=?[]
10.times?do?|i|
??arr[i]?=?Thread.new?{
????sleep(rand(0)/10.0)
????Thread.current["mycount"]?=?count
????count?+=?1
??}
end
arr.each?{|t|?t.join;?print?t["mycount"],?",?"?}
puts?"count?=?#{count}"

8,?0,?3,?7,?2,?1,?6,?5,?4,?9,?count?=?10

主線程等待每個子線程結(jié)束之后，打印出來每個線程得到的count的值。我們?nèi)藶榈淖屆總€線程在取得count值之前休眠隨機的時間，這只是為了增加點趣味而已。

線程和異常

如果一個線程拋出一個沒有被處理的異常，將會怎樣呢？這依賴于系統(tǒng)設(shè)置Thread.abort_on_exception?，這個設(shè)置在第384頁和387頁。

如果abort_on_exception 被設(shè)置為false，這也是默認(rèn)的缺省值，那么如果一個線程出現(xiàn)錯誤而沒有處理，則這個線程將會被殺死，其它沒有遇到異常的線程將繼續(xù)運行。在下面的例子里，編號為3的線程將產(chǎn)生一個異常，而不會輸出任何東西，但是，你仍然可以看到其它線程的輸出。

threads?=?[]
6.times?{?|i|
??threads?<<?Thread.new(i)?{
????raise?"Boom!"?if?i?==?3
????puts?i
??}
}
threads.each?{|t|?t.join?}

01
2

 
45prog.rb:4:?Boom!?(RuntimeError)         
	from?prog.rb:8:in?`join'         
	from?prog.rb:8         
	from?prog.rb:8:in?`each'         
	from?prog.rb:8
  

但是，如果將abort_on_exception 設(shè)為true，一個線程出現(xiàn)沒有捕獲（處理）的異常，則所有的線程將都被殺死，上面的例子，如果編號為3的線程出錯，所有后面的線程都被殺死，不會產(chǎn)生任何輸出。

Thread.abort_on_exception?=?true
threads?=?[]
6.times?{?|i|
??threads?<<?Thread.new(i)?{
????raise?"Boom!"?if?i?==?3
????puts?i
??}
}
threads.each?{|t|?t.join?}

01
2
prog.rb:5:?Boom!?(RuntimeError)
	from?prog.rb:7:in?`initialize'
	from?prog.rb:7:in?`new'
	from?prog.rb:7
	from?prog.rb:3:in?`times'
	from?prog.rb:3

控制線程調(diào)度器

在一個設(shè)計良好的應(yīng)用程序中，你應(yīng)該讓線程只做自己改作的事情；在一個多線程環(huán)境中創(chuàng)建一個基于時間的系統(tǒng)一般來說不是一個好主意。

但是，有時候我們需要控制線程的運行。也許我們的自動點唱機有一個線程用來控制指示燈，我們希望在音樂停止播放的時候也停止指示燈。你也許在一個經(jīng)典的生產(chǎn)者－消費者關(guān)系中有兩個線程，一個消費者在生產(chǎn)者掛起的時候也必須掛起。

類Thread 提供了很多方法用來控制線程調(diào)度，調(diào)用 Thread.stop 能停止當(dāng)前線程，而 Thread#run 將使某個線程啟動運行，調(diào)用 Thread.pass 將告訴線程調(diào)度器去執(zhí)行另外一個線程。? Thread#join 和 Thread#value 將使調(diào)用者掛起，直到這個線程結(jié)束。

我們可以用下面代碼來示范一下上面的特點。

但是，使用這些原始的方法來控制線程調(diào)度實現(xiàn)同步，不管怎么說，都可能會遇到競爭條件。如果你需要在線程中共享數(shù)據(jù)，競爭條件將會一直存在并且給調(diào)試帶來麻煩。幸運的是，線程還有另一個工具：臨界區(qū)（critical section），使用它，我們能編寫一個安全的同步方案。

互斥（Mutual Exclusion）

用來阻塞一個線程運行的低層的方法是使用全局的"線程臨界"（thread critical）條件。當(dāng)這個條件被設(shè)為true（用 Thread.critical= 方法）時，調(diào)度器將不會讓任何已經(jīng)存在地線程執(zhí)行，但是，它不會阻止新線程的建立和運行；一些特定的線程操作（比如停止或者殺死一個線程，在當(dāng)前線程中休眠，或者拋出一個異常）都會引起一個線程被調(diào)度，即使在臨界區(qū)之內(nèi)。

直接使用 Thread.critical= 雖然可行，但是它并不是很方便。幸運的是，Ruby自帶了很多其它選項，當(dāng)然，最好的兩個是thread庫模塊中的類Mutex和類ConditionVariable。關(guān)于它們的文檔從第457頁開始。

類 Mutex

一個mutex經(jīng)常用于原子性的對一個共享對象進(jìn)行修改更新。假設(shè)我們需要更新一個事務(wù)中的兩個變量，比如下面的程序模擬增加兩個數(shù)的計數(shù)。這個更新假定是原子性的，外面的世界不可能看到這兩個數(shù)有不同的值。如果不使用互斥，則不能達(dá)到該目的。

這個例子顯示了在執(zhí)行的過程中count1和count2的值曾經(jīng)出現(xiàn)過不同，盡管最后還是一樣的。

require?'thread'
mutex?=?Mutex.new

 
count1?=?count2?=?0        
difference?=?0        
counter?=?Thread.new?do        
??loop?do        
????mutex.synchronize?do        
??????count1?+=?1        
??????count2?+=?1        
????end        
??end        
end        
spy?=?Thread.new?do        
??loop?do        
????mutex.synchronize?do        
??????difference?+=?(count1?-?count2).abs        
????end        
??end        
end
        

通過把需要訪問共享數(shù)據(jù)的代碼放到muxtex的控制下，我們確保了數(shù)據(jù)的一致性。但不幸的是，你也從這些數(shù)字看到了，我們在經(jīng)受著性能上的損失。

條件變量（Condition Variables）

有時候使用互斥（mutex ）來保護(hù)對臨界數(shù)據(jù)的訪問并不能滿足要求，比如假設(shè)我們在一個臨界區(qū)內(nèi)，但是你還需要等待一個特殊的資源，如果你的線程這時候為了等待這個資源而休眠，可能會導(dǎo)致其它線程不能釋放這個資源，因為它們都無法進(jìn)入這個臨界區(qū)，原來的線程一直在鎖定著這個臨界區(qū)。你也許需要暫時的放棄對臨界區(qū)的控制，同時告訴其它線程你在等待某一資源。當(dāng)這個資源可用之后，你的線程同時需要重新得到對臨界區(qū)的控制權(quán)。

條件變量正是用在此處。一個條件變量是一個簡單的信號量，它關(guān)聯(lián)一個特定的資源，在臨界區(qū)的保護(hù)范圍內(nèi)使用。當(dāng)你需要一個資源而這個資源暫時不可用的時候，你等待一個條件變量，這個操作將放棄對這個條件變量所在互斥（臨界區(qū)？）的鎖定。當(dāng)其它線程發(fā)送信號告訴這個變量可用之后，原來的線程停止等待立即取得對臨界區(qū)的鎖定。

require?'thread'
mutex?=?Mutex.new
cv?=?ConditionVariable.new
 
a?=?Thread.new?{    
??mutex.synchronize?{    
????puts?"A:?I?have?critical?section,?but?will?wait?for?cv"    
????cv.wait(mutex)    
????puts?"A:?I?have?critical?section?again!?I?rule!"    
??}    
}
 
puts?"(Later,?back?at?the?ranch...)"
 
b?=?Thread.new?{    
??mutex.synchronize?{    
????puts?"B:?Now?I?am?critical,?but?am?done?with?cv"    
????cv.signal    
????puts?"B:?I?am?still?critical,?finishing?up"    
??}    
}    
a.join    
b.join

A:?I?have?critical?section,?but?will?wait?for?cv(Later,?back?at?the?ranch...)
 
B:?Now?I?am?critical,?but?am?done?with?cv     
B:?I?am?still?critical,?finishing?up     
A:?I?have?critical?section?again!?I?rule!

另一個同步機制的實現(xiàn)，可以參考Ruby發(fā)布程序中l(wèi)ib文件夾下的文件 monitor.rb 和sync.rb。

運行多個進(jìn)程（Multiple Processes）

有時候你可能需要把一個任務(wù)分成幾個進(jìn)程級別的子任務(wù)，或者你需要運行一個另外的不使用Ruby寫的程序，沒關(guān)系，Ruby有好幾種方法能使你創(chuàng)建和管理其它獨立的進(jìn)程。

產(chǎn)生一個新的進(jìn)程

在Ruby中產(chǎn)生一個新的進(jìn)程有好幾種方法，最簡單的方法是運行一個命令并且等到它結(jié)束。你也許運行一些其它的獨立的命令，并且從主機得到返回的結(jié)果，Ruby提供了system方法和反引號方法。（反引號即"`"）

方法 Kernel::system 運行一個指定的命令，如果這個命令存在且正確的運行結(jié)束，這個方法返回true，否則返回false。如果這個命令運行失敗，你可以從全局變量$?得到這個命令的返回代碼。

但system也有一個問題，就是它所運行程序的輸出簡單的被指定到了你的程序的輸出，這可能不是你想要的。為了取得子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出，你可以用反引號，比如上面例子的 `date` 。注意，你需要用 String#chomp 來去除返回結(jié)果最后的換行符。

這中方法對簡單的場合比較合適，我們只需要運行一個命令，然后取得它的返回結(jié)果。但是，很多時候我們都需要對進(jìn)程有更多的控制，比如我們需要和子進(jìn)程進(jìn)行會話，向它輸入數(shù)據(jù)，并且從它取回數(shù)據(jù)。方法 IO.popen 正是具有這樣的作用。popen方法以一個子進(jìn)程來運行一個命令，并且把這個進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出綁定到Ruby的IO對象。向IO對象寫數(shù)據(jù)，子進(jìn)程就可以從它的標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取數(shù)據(jù)，而子進(jìn)程輸出的數(shù)據(jù)，也可以通過Ruby的IO對象讀出來。

pig?=?IO.popen("pig",?"w+")
pig.puts?"ice?cream?after?they?go?to?bed"
pig.close_write
puts?pig.gets

iceway?eamcray?afterway?eythay?ogay?otay?edbay

這個例子看起來很簡單，打開這個管道（pipe），寫入一個短語，然后讀取返回結(jié)果。但是pig程序并不會立即將它寫的東西flush。假如上面例子中，如果pig.puts 后面緊跟pig.gets的話，程序?qū)⒈粧炱?，pig程序處理了我們的輸入，但是返回結(jié)果卻一直不會被寫到管道。我們必須在這兩行之間插入 pig.close_write ，這將給pig的標(biāo)準(zhǔn)輸入發(fā)送一個文件結(jié)束標(biāo)志（end-of-file），然后我們需要的結(jié)果就會返回。

popen方法還有另外一些注意事項。如果指定的命令是一個減號（"-"），Ruby將強迫產(chǎn)生一個新的Ruby解釋器，它將和原來的解釋器一起運行。原來的解釋器進(jìn)程將得到一個IO對象作為返回結(jié)果，而子解釋器將得到nil。

pipe?=?IO.popen("-","w+")
if?pipe
??pipe.puts?"Get?a?job!"
??$stderr.puts?"Child?says?'#{pipe.gets.chomp}'"
else
??$stderr.puts?"Dad?says?'#{gets.chomp}'"
??puts?"OK"
end

Dad?says?'Get?a?job!'
Child?says?'OK'

除了popen方法，傳統(tǒng)的Unix調(diào)用 Kernel::fork ， IO.pipe 和 Kernel::exec 也可以在支持它們的系統(tǒng)上使用。許多IO方法和 Kernel::open 也能產(chǎn)生新的子進(jìn)程，使用方法是將文件名前面加上一個豎線``|'' 。注意你不能用 File.new 來產(chǎn)生一個子進(jìn)程，這個方法只是用于文件。

Independent Children

有時候我們并不需要這樣處理：我們只想把產(chǎn)生的子進(jìn)程賦給一個變量，然后繼續(xù)處理自己的事務(wù)。一段時間以后，我們也許還需要一下這個進(jìn)程是否結(jié)束。比如，我們需要從主程序分離一個需要很長運行時間的外部排序：

exec("sort?testfile?>?output.txt")?if?fork?==?nil
#?The?sort?is?now?running?in?a?child?process
#?carry?on?processing?in?the?main?program

 
#?then?wait?for?the?sort?to?finish                
Process.wait
  

系統(tǒng)調(diào)用 Kernel::fork 在父進(jìn)程中返回fork產(chǎn)生的子進(jìn)程id，在子進(jìn)程中返回nil，所以，上面例子中子進(jìn)程將調(diào)用 Kernel::exec 來運行一個外部的排序。一段時間以后，我們使用 Process::wait ，這將等待排序完成，然后返回這個進(jìn)程的id。（pid）

如果你需要在子進(jìn)程退出后通知父進(jìn)程（而不是等待子進(jìn)程結(jié)束），可以用 Kernel::trap 來對返回的信號進(jìn)行處理。比如這里我們建立了一個用于捕獲SIGCLD信號的trap，這個信號的意思是“子進(jìn)程結(jié)束（死亡）”

trap("CLD")?{
??pid?=?Process.wait
??puts?"Child?pid?#{pid}:?terminated"
??exit
}

 
exec("sort?testfile?>?output.txt")?if?fork?==?nil
 
#?do?other?stuff...
 

Child?pid?31842:?terminated

塊（Block）和子進(jìn)程

IO.popen?("date")?{?|f|?puts?"Date?is?#{f.gets}"?}

Date?is?Sun?Jun??9?00:08:50?CDT?2002

這個IO對象將會在BLOCK結(jié)束之后自動關(guān)閉，就如同 File.open 一樣。

如果你給 Kernel::fork 提供一個block，那么這些block中的代碼將在Ruby的子進(jìn)程中運行，而父進(jìn)程在block結(jié)束后繼續(xù)運行。

fork?do
??puts?"In?child,?pid?=?#$$"
??exit?99
end
pid?=?Process.wait
puts?"Child?terminated,?pid?=?#{pid},?exit?code?=?#{$??>>?8}"

In?child,?pid?=?31849
Child?terminated,?pid?=?31849,?exit?code?=?99

最后一個問題，為什么我們子進(jìn)程的返回代碼 $? 要右移8位？這是Posix系統(tǒng)的特點，退出代碼（exit code）的低8位是程序結(jié)束的原因，高8位才是真正的退出代碼。