Initial bulk commit for "Git on MSys"
[msysgit/historical-msysgit.git] / lib / perl5 / 5.6.1 / pods / perlthrtut.pod
blob0b7092b39dca19a3c5b20cfc5f816f71ba8db9be
1 =head1 NAME
3 perlthrtut - tutorial on threads in Perl
5 =head1 DESCRIPTION
7     WARNING: Threading is an experimental feature.  Both the interface
8     and implementation are subject to change drastically.  In fact, this
9     documentation describes the flavor of threads that was in version
10     5.005.  Perl 5.6.0 and later have the beginnings of support for
11     interpreter threads, which (when finished) is expected to be
12     significantly different from what is described here.  The information
13     contained here may therefore soon be obsolete.  Use at your own risk!
15 One of the most prominent new features of Perl 5.005 is the inclusion
16 of threads.  Threads make a number of things a lot easier, and are a
17 very useful addition to your bag of programming tricks.
19 =head1 What Is A Thread Anyway?
21 A thread is a flow of control through a program with a single
22 execution point.
24 Sounds an awful lot like a process, doesn't it? Well, it should.
25 Threads are one of the pieces of a process.  Every process has at least
26 one thread and, up until now, every process running Perl had only one
27 thread.  With 5.005, though, you can create extra threads.  We're going
28 to show you how, when, and why.
30 =head1 Threaded Program Models
32 There are three basic ways that you can structure a threaded
33 program.  Which model you choose depends on what you need your program
34 to do.  For many non-trivial threaded programs you'll need to choose
35 different models for different pieces of your program.
37 =head2 Boss/Worker
39 The boss/worker model usually has one `boss' thread and one or more
40 `worker' threads.  The boss thread gathers or generates tasks that need
41 to be done, then parcels those tasks out to the appropriate worker
42 thread.
44 This model is common in GUI and server programs, where a main thread
45 waits for some event and then passes that event to the appropriate
46 worker threads for processing.  Once the event has been passed on, the
47 boss thread goes back to waiting for another event.
49 The boss thread does relatively little work.  While tasks aren't
50 necessarily performed faster than with any other method, it tends to
51 have the best user-response times.
53 =head2 Work Crew
55 In the work crew model, several threads are created that do
56 essentially the same thing to different pieces of data.  It closely
57 mirrors classical parallel processing and vector processors, where a
58 large array of processors do the exact same thing to many pieces of
59 data.
61 This model is particularly useful if the system running the program
62 will distribute multiple threads across different processors.  It can
63 also be useful in ray tracing or rendering engines, where the
64 individual threads can pass on interim results to give the user visual
65 feedback.
67 =head2 Pipeline
69 The pipeline model divides up a task into a series of steps, and
70 passes the results of one step on to the thread processing the
71 next.  Each thread does one thing to each piece of data and passes the
72 results to the next thread in line.
74 This model makes the most sense if you have multiple processors so two
75 or more threads will be executing in parallel, though it can often
76 make sense in other contexts as well.  It tends to keep the individual
77 tasks small and simple, as well as allowing some parts of the pipeline
78 to block (on I/O or system calls, for example) while other parts keep
79 going.  If you're running different parts of the pipeline on different
80 processors you may also take advantage of the caches on each
81 processor.
83 This model is also handy for a form of recursive programming where,
84 rather than having a subroutine call itself, it instead creates
85 another thread.  Prime and Fibonacci generators both map well to this
86 form of the pipeline model. (A version of a prime number generator is
87 presented later on.)
89 =head1 Native threads
91 There are several different ways to implement threads on a system.  How
92 threads are implemented depends both on the vendor and, in some cases,
93 the version of the operating system.  Often the first implementation
94 will be relatively simple, but later versions of the OS will be more
95 sophisticated.
97 While the information in this section is useful, it's not necessary,
98 so you can skip it if you don't feel up to it.
100 There are three basic categories of threads-user-mode threads, kernel
101 threads, and multiprocessor kernel threads.
103 User-mode threads are threads that live entirely within a program and
104 its libraries.  In this model, the OS knows nothing about threads.  As
105 far as it's concerned, your process is just a process.
107 This is the easiest way to implement threads, and the way most OSes
108 start.  The big disadvantage is that, since the OS knows nothing about
109 threads, if one thread blocks they all do.  Typical blocking activities
110 include most system calls, most I/O, and things like sleep().
112 Kernel threads are the next step in thread evolution.  The OS knows
113 about kernel threads, and makes allowances for them.  The main
114 difference between a kernel thread and a user-mode thread is
115 blocking.  With kernel threads, things that block a single thread don't
116 block other threads.  This is not the case with user-mode threads,
117 where the kernel blocks at the process level and not the thread level.
119 This is a big step forward, and can give a threaded program quite a
120 performance boost over non-threaded programs.  Threads that block
121 performing I/O, for example, won't block threads that are doing other
122 things.  Each process still has only one thread running at once,
123 though, regardless of how many CPUs a system might have.
125 Since kernel threading can interrupt a thread at any time, they will
126 uncover some of the implicit locking assumptions you may make in your
127 program.  For example, something as simple as C<$a = $a + 2> can behave
128 unpredictably with kernel threads if $a is visible to other
129 threads, as another thread may have changed $a between the time it
130 was fetched on the right hand side and the time the new value is
131 stored.
133 Multiprocessor Kernel Threads are the final step in thread
134 support.  With multiprocessor kernel threads on a machine with multiple
135 CPUs, the OS may schedule two or more threads to run simultaneously on
136 different CPUs.
138 This can give a serious performance boost to your threaded program,
139 since more than one thread will be executing at the same time.  As a
140 tradeoff, though, any of those nagging synchronization issues that
141 might not have shown with basic kernel threads will appear with a
142 vengeance.
144 In addition to the different levels of OS involvement in threads,
145 different OSes (and different thread implementations for a particular
146 OS) allocate CPU cycles to threads in different ways.
148 Cooperative multitasking systems have running threads give up control
149 if one of two things happen.  If a thread calls a yield function, it
150 gives up control.  It also gives up control if the thread does
151 something that would cause it to block, such as perform I/O.  In a
152 cooperative multitasking implementation, one thread can starve all the
153 others for CPU time if it so chooses.
155 Preemptive multitasking systems interrupt threads at regular intervals
156 while the system decides which thread should run next.  In a preemptive
157 multitasking system, one thread usually won't monopolize the CPU.
159 On some systems, there can be cooperative and preemptive threads
160 running simultaneously. (Threads running with realtime priorities
161 often behave cooperatively, for example, while threads running at
162 normal priorities behave preemptively.)
164 =head1 What kind of threads are perl threads?
166 If you have experience with other thread implementations, you might
167 find that things aren't quite what you expect.  It's very important to
168 remember when dealing with Perl threads that Perl Threads Are Not X
169 Threads, for all values of X.  They aren't POSIX threads, or
170 DecThreads, or Java's Green threads, or Win32 threads.  There are
171 similarities, and the broad concepts are the same, but if you start
172 looking for implementation details you're going to be either
173 disappointed or confused.  Possibly both.
175 This is not to say that Perl threads are completely different from
176 everything that's ever come before--they're not.  Perl's threading
177 model owes a lot to other thread models, especially POSIX.  Just as
178 Perl is not C, though, Perl threads are not POSIX threads.  So if you
179 find yourself looking for mutexes, or thread priorities, it's time to
180 step back a bit and think about what you want to do and how Perl can
181 do it.
183 =head1 Threadsafe Modules
185 The addition of threads has changed Perl's internals
186 substantially.  There are implications for people who write
187 modules--especially modules with XS code or external libraries.  While
188 most modules won't encounter any problems, modules that aren't
189 explicitly tagged as thread-safe should be tested before being used in
190 production code.
192 Not all modules that you might use are thread-safe, and you should
193 always assume a module is unsafe unless the documentation says
194 otherwise.  This includes modules that are distributed as part of the
195 core.  Threads are a beta feature, and even some of the standard
196 modules aren't thread-safe.
198 If you're using a module that's not thread-safe for some reason, you
199 can protect yourself by using semaphores and lots of programming
200 discipline to control access to the module.  Semaphores are covered
201 later in the article.  Perl Threads Are Different
203 =head1 Thread Basics
205 The core Thread module provides the basic functions you need to write
206 threaded programs.  In the following sections we'll cover the basics,
207 showing you what you need to do to create a threaded program.   After
208 that, we'll go over some of the features of the Thread module that
209 make threaded programming easier.
211 =head2 Basic Thread Support
213 Thread support is a Perl compile-time option-it's something that's
214 turned on or off when Perl is built at your site, rather than when
215 your programs are compiled. If your Perl wasn't compiled with thread
216 support enabled, then any attempt to use threads will fail.
218 Remember that the threading support in 5.005 is in beta release, and
219 should be treated as such.   You should expect that it may not function
220 entirely properly, and the thread interface may well change some
221 before it is a fully supported, production release.  The beta version
222 shouldn't be used for mission-critical projects.  Having said that,
223 threaded Perl is pretty nifty, and worth a look.
225 Your programs can use the Config module to check whether threads are
226 enabled. If your program can't run without them, you can say something
227 like:
229   $Config{usethreads} or die "Recompile Perl with threads to run this program.";
231 A possibly-threaded program using a possibly-threaded module might
232 have code like this:
234     use Config; 
235     use MyMod; 
237     if ($Config{usethreads}) { 
238         # We have threads 
239         require MyMod_threaded; 
240         import MyMod_threaded; 
241     } else { 
242         require MyMod_unthreaded; 
243         import MyMod_unthreaded; 
244     } 
246 Since code that runs both with and without threads is usually pretty
247 messy, it's best to isolate the thread-specific code in its own
248 module.  In our example above, that's what MyMod_threaded is, and it's
249 only imported if we're running on a threaded Perl.
251 =head2 Creating Threads
253 The Thread package provides the tools you need to create new
254 threads.  Like any other module, you need to tell Perl you want to use
255 it; use Thread imports all the pieces you need to create basic
256 threads.
258 The simplest, straightforward way to create a thread is with new():
260     use Thread; 
262     $thr = new Thread \&sub1;
264     sub sub1 { 
265         print "In the thread\n"; 
266     }
268 The new() method takes a reference to a subroutine and creates a new
269 thread, which starts executing in the referenced subroutine.  Control
270 then passes both to the subroutine and the caller.
272 If you need to, your program can pass parameters to the subroutine as
273 part of the thread startup.  Just include the list of parameters as
274 part of the C<Thread::new> call, like this:
276     use Thread; 
277     $Param3 = "foo"; 
278     $thr = new Thread \&sub1, "Param 1", "Param 2", $Param3; 
279     $thr = new Thread \&sub1, @ParamList; 
280     $thr = new Thread \&sub1, qw(Param1 Param2 $Param3);
282     sub sub1 { 
283         my @InboundParameters = @_; 
284         print "In the thread\n"; 
285         print "got parameters >", join("<>", @InboundParameters), "<\n"; 
286     }
289 The subroutine runs like a normal Perl subroutine, and the call to new
290 Thread returns whatever the subroutine returns.
292 The last example illustrates another feature of threads.  You can spawn
293 off several threads using the same subroutine.  Each thread executes
294 the same subroutine, but in a separate thread with a separate
295 environment and potentially separate arguments.
297 The other way to spawn a new thread is with async(), which is a way to
298 spin off a chunk of code like eval(), but into its own thread:
300     use Thread qw(async);
302     $LineCount = 0; 
304     $thr = async { 
305         while(<>) {$LineCount++}         
306         print "Got $LineCount lines\n";
307     }; 
309     print "Waiting for the linecount to end\n"; 
310     $thr->join; 
311     print "All done\n";
313 You'll notice we did a use Thread qw(async) in that example.  async is
314 not exported by default, so if you want it, you'll either need to
315 import it before you use it or fully qualify it as
316 Thread::async.  You'll also note that there's a semicolon after the
317 closing brace.  That's because async() treats the following block as an
318 anonymous subroutine, so the semicolon is necessary.
320 Like eval(), the code executes in the same context as it would if it
321 weren't spun off.  Since both the code inside and after the async start
322 executing, you need to be careful with any shared resources.  Locking
323 and other synchronization techniques are covered later.
325 =head2 Giving up control
327 There are times when you may find it useful to have a thread
328 explicitly give up the CPU to another thread.  Your threading package
329 might not support preemptive multitasking for threads, for example, or
330 you may be doing something compute-intensive and want to make sure
331 that the user-interface thread gets called frequently.  Regardless,
332 there are times that you might want a thread to give up the processor.
334 Perl's threading package provides the yield() function that does
335 this. yield() is pretty straightforward, and works like this:
337     use Thread qw(yield async); 
338     async { 
339         my $foo = 50; 
340         while ($foo--) { print "first async\n" }
341         yield; 
342         $foo = 50; 
343         while ($foo--) { print "first async\n" } 
344     }; 
345     async { 
346         my $foo = 50; 
347         while ($foo--) { print "second async\n" }
348         yield; 
349         $foo = 50; 
350         while ($foo--) { print "second async\n" } 
351     };
353 =head2 Waiting For A Thread To Exit
355 Since threads are also subroutines, they can return values.  To wait
356 for a thread to exit and extract any scalars it might return, you can
357 use the join() method.
359     use Thread; 
360     $thr = new Thread \&sub1;
362     @ReturnData = $thr->join; 
363     print "Thread returned @ReturnData"; 
365     sub sub1 { return "Fifty-six", "foo", 2; }
367 In the example above, the join() method returns as soon as the thread
368 ends.  In addition to waiting for a thread to finish and gathering up
369 any values that the thread might have returned, join() also performs
370 any OS cleanup necessary for the thread.  That cleanup might be
371 important, especially for long-running programs that spawn lots of
372 threads.  If you don't want the return values and don't want to wait
373 for the thread to finish, you should call the detach() method
374 instead. detach() is covered later in the article.
376 =head2 Errors In Threads
378 So what happens when an error occurs in a thread? Any errors that
379 could be caught with eval() are postponed until the thread is
380 joined.  If your program never joins, the errors appear when your
381 program exits.
383 Errors deferred until a join() can be caught with eval():
385     use Thread qw(async); 
386     $thr = async {$b = 3/0};   # Divide by zero error
387     $foo = eval {$thr->join}; 
388     if ($@) { 
389         print "died with error $@\n"; 
390     } else { 
391         print "Hey, why aren't you dead?\n"; 
392     }
394 eval() passes any results from the joined thread back unmodified, so
395 if you want the return value of the thread, this is your only chance
396 to get them.
398 =head2 Ignoring A Thread
400 join() does three things: it waits for a thread to exit, cleans up
401 after it, and returns any data the thread may have produced.  But what
402 if you're not interested in the thread's return values, and you don't
403 really care when the thread finishes? All you want is for the thread
404 to get cleaned up after when it's done.
406 In this case, you use the detach() method.  Once a thread is detached,
407 it'll run until it's finished, then Perl will clean up after it
408 automatically.
410     use Thread; 
411     $thr = new Thread \&sub1; # Spawn the thread
413     $thr->detach; # Now we officially don't care any more
415     sub sub1 { 
416         $a = 0; 
417         while (1) { 
418             $a++; 
419             print "\$a is $a\n"; 
420             sleep 1; 
421         } 
422     }
425 Once a thread is detached, it may not be joined, and any output that
426 it might have produced (if it was done and waiting for a join) is
427 lost.
429 =head1 Threads And Data
431 Now that we've covered the basics of threads, it's time for our next
432 topic: data.  Threading introduces a couple of complications to data
433 access that non-threaded programs never need to worry about.
435 =head2 Shared And Unshared Data
437 The single most important thing to remember when using threads is that
438 all threads potentially have access to all the data anywhere in your
439 program.  While this is true with a nonthreaded Perl program as well,
440 it's especially important to remember with a threaded program, since
441 more than one thread can be accessing this data at once.
443 Perl's scoping rules don't change because you're using threads.  If a
444 subroutine (or block, in the case of async()) could see a variable if
445 you weren't running with threads, it can see it if you are.  This is
446 especially important for the subroutines that create, and makes C<my>
447 variables even more important.  Remember--if your variables aren't
448 lexically scoped (declared with C<my>) you're probably sharing them
449 between threads.
451 =head2 Thread Pitfall: Races
453 While threads bring a new set of useful tools, they also bring a
454 number of pitfalls.  One pitfall is the race condition:
456     use Thread; 
457     $a = 1; 
458     $thr1 = Thread->new(\&sub1); 
459     $thr2 = Thread->new(\&sub2); 
461     sleep 10; 
462     print "$a\n";
464     sub sub1 { $foo = $a; $a = $foo + 1; }
465     sub sub2 { $bar = $a; $a = $bar + 1; }
467 What do you think $a will be? The answer, unfortunately, is "it
468 depends." Both sub1() and sub2() access the global variable $a, once
469 to read and once to write.  Depending on factors ranging from your
470 thread implementation's scheduling algorithm to the phase of the moon,
471 $a can be 2 or 3.
473 Race conditions are caused by unsynchronized access to shared
474 data.  Without explicit synchronization, there's no way to be sure that
475 nothing has happened to the shared data between the time you access it
476 and the time you update it.  Even this simple code fragment has the
477 possibility of error:
479     use Thread qw(async); 
480     $a = 2; 
481     async{ $b = $a; $a = $b + 1; }; 
482     async{ $c = $a; $a = $c + 1; };
484 Two threads both access $a.  Each thread can potentially be interrupted
485 at any point, or be executed in any order.  At the end, $a could be 3
486 or 4, and both $b and $c could be 2 or 3.
488 Whenever your program accesses data or resources that can be accessed
489 by other threads, you must take steps to coordinate access or risk
490 data corruption and race conditions.
492 =head2 Controlling access: lock()
494 The lock() function takes a variable (or subroutine, but we'll get to
495 that later) and puts a lock on it.  No other thread may lock the
496 variable until the locking thread exits the innermost block containing
497 the lock.  Using lock() is straightforward:
499     use Thread qw(async); 
500     $a = 4; 
501     $thr1 = async { 
502         $foo = 12; 
503         { 
504             lock ($a); # Block until we get access to $a 
505             $b = $a; 
506             $a = $b * $foo; 
507         } 
508         print "\$foo was $foo\n";
509     }; 
510     $thr2 = async { 
511         $bar = 7; 
512         { 
513             lock ($a); # Block until we can get access to $a
514             $c = $a; 
515             $a = $c * $bar; 
516         } 
517         print "\$bar was $bar\n";
518     }; 
519     $thr1->join; 
520     $thr2->join; 
521     print "\$a is $a\n";
523 lock() blocks the thread until the variable being locked is
524 available.  When lock() returns, your thread can be sure that no other
525 thread can lock that variable until the innermost block containing the
526 lock exits.
528 It's important to note that locks don't prevent access to the variable
529 in question, only lock attempts.  This is in keeping with Perl's
530 longstanding tradition of courteous programming, and the advisory file
531 locking that flock() gives you.  Locked subroutines behave differently,
532 however.  We'll cover that later in the article.
534 You may lock arrays and hashes as well as scalars.  Locking an array,
535 though, will not block subsequent locks on array elements, just lock
536 attempts on the array itself.
538 Finally, locks are recursive, which means it's okay for a thread to
539 lock a variable more than once.  The lock will last until the outermost
540 lock() on the variable goes out of scope.
542 =head2 Thread Pitfall: Deadlocks
544 Locks are a handy tool to synchronize access to data.  Using them
545 properly is the key to safe shared data.  Unfortunately, locks aren't
546 without their dangers.  Consider the following code:
548     use Thread qw(async yield); 
549     $a = 4; 
550     $b = "foo"; 
551     async { 
552         lock($a); 
553         yield; 
554         sleep 20; 
555         lock ($b); 
556     }; 
557     async { 
558         lock($b); 
559         yield; 
560         sleep 20; 
561         lock ($a); 
562     };
564 This program will probably hang until you kill it.  The only way it
565 won't hang is if one of the two async() routines acquires both locks
566 first.  A guaranteed-to-hang version is more complicated, but the
567 principle is the same.
569 The first thread spawned by async() will grab a lock on $a then, a
570 second or two later, try to grab a lock on $b.  Meanwhile, the second
571 thread grabs a lock on $b, then later tries to grab a lock on $a.  The
572 second lock attempt for both threads will block, each waiting for the
573 other to release its lock.
575 This condition is called a deadlock, and it occurs whenever two or
576 more threads are trying to get locks on resources that the others
577 own.  Each thread will block, waiting for the other to release a lock
578 on a resource.  That never happens, though, since the thread with the
579 resource is itself waiting for a lock to be released.
581 There are a number of ways to handle this sort of problem.  The best
582 way is to always have all threads acquire locks in the exact same
583 order.  If, for example, you lock variables $a, $b, and $c, always lock
584 $a before $b, and $b before $c.  It's also best to hold on to locks for
585 as short a period of time to minimize the risks of deadlock.
587 =head2 Queues: Passing Data Around
589 A queue is a special thread-safe object that lets you put data in one
590 end and take it out the other without having to worry about
591 synchronization issues.  They're pretty straightforward, and look like
592 this:
594     use Thread qw(async); 
595     use Thread::Queue;
597     my $DataQueue = new Thread::Queue; 
598     $thr = async { 
599         while ($DataElement = $DataQueue->dequeue) { 
600             print "Popped $DataElement off the queue\n";
601         } 
602     }; 
604     $DataQueue->enqueue(12); 
605     $DataQueue->enqueue("A", "B", "C"); 
606     $DataQueue->enqueue(\$thr); 
607     sleep 10; 
608     $DataQueue->enqueue(undef);
610 You create the queue with new Thread::Queue.  Then you can add lists of
611 scalars onto the end with enqueue(), and pop scalars off the front of
612 it with dequeue().  A queue has no fixed size, and can grow as needed
613 to hold everything pushed on to it.
615 If a queue is empty, dequeue() blocks until another thread enqueues
616 something.  This makes queues ideal for event loops and other
617 communications between threads.
619 =head1 Threads And Code
621 In addition to providing thread-safe access to data via locks and
622 queues, threaded Perl also provides general-purpose semaphores for
623 coarser synchronization than locks provide and thread-safe access to
624 entire subroutines.
626 =head2 Semaphores: Synchronizing Data Access
628 Semaphores are a kind of generic locking mechanism.  Unlike lock, which
629 gets a lock on a particular scalar, Perl doesn't associate any
630 particular thing with a semaphore so you can use them to control
631 access to anything you like.  In addition, semaphores can allow more
632 than one thread to access a resource at once, though by default
633 semaphores only allow one thread access at a time.
635 =over 4
637 =item Basic semaphores
639 Semaphores have two methods, down and up. down decrements the resource
640 count, while up increments it.  down calls will block if the
641 semaphore's current count would decrement below zero.  This program
642 gives a quick demonstration:
644     use Thread qw(yield); 
645     use Thread::Semaphore; 
646     my $semaphore = new Thread::Semaphore; 
647     $GlobalVariable = 0;
649     $thr1 = new Thread \&sample_sub, 1; 
650     $thr2 = new Thread \&sample_sub, 2; 
651     $thr3 = new Thread \&sample_sub, 3;
653     sub sample_sub { 
654         my $SubNumber = shift @_; 
655         my $TryCount = 10; 
656         my $LocalCopy; 
657         sleep 1; 
658         while ($TryCount--) { 
659             $semaphore->down; 
660             $LocalCopy = $GlobalVariable; 
661             print "$TryCount tries left for sub $SubNumber (\$GlobalVariable is $GlobalVariable)\n"; 
662             yield; 
663             sleep 2; 
664             $LocalCopy++; 
665             $GlobalVariable = $LocalCopy; 
666             $semaphore->up; 
667         } 
668     }
670 The three invocations of the subroutine all operate in sync.  The
671 semaphore, though, makes sure that only one thread is accessing the
672 global variable at once.
674 =item Advanced Semaphores
676 By default, semaphores behave like locks, letting only one thread
677 down() them at a time.  However, there are other uses for semaphores.
679 Each semaphore has a counter attached to it. down() decrements the
680 counter and up() increments the counter.  By default, semaphores are
681 created with the counter set to one, down() decrements by one, and
682 up() increments by one.  If down() attempts to decrement the counter
683 below zero, it blocks until the counter is large enough.  Note that
684 while a semaphore can be created with a starting count of zero, any
685 up() or down() always changes the counter by at least
686 one. $semaphore->down(0) is the same as $semaphore->down(1).
688 The question, of course, is why would you do something like this? Why
689 create a semaphore with a starting count that's not one, or why
690 decrement/increment it by more than one? The answer is resource
691 availability.  Many resources that you want to manage access for can be
692 safely used by more than one thread at once.
694 For example, let's take a GUI driven program.  It has a semaphore that
695 it uses to synchronize access to the display, so only one thread is
696 ever drawing at once.  Handy, but of course you don't want any thread
697 to start drawing until things are properly set up.  In this case, you
698 can create a semaphore with a counter set to zero, and up it when
699 things are ready for drawing.
701 Semaphores with counters greater than one are also useful for
702 establishing quotas.  Say, for example, that you have a number of
703 threads that can do I/O at once.  You don't want all the threads
704 reading or writing at once though, since that can potentially swamp
705 your I/O channels, or deplete your process' quota of filehandles.  You
706 can use a semaphore initialized to the number of concurrent I/O
707 requests (or open files) that you want at any one time, and have your
708 threads quietly block and unblock themselves.
710 Larger increments or decrements are handy in those cases where a
711 thread needs to check out or return a number of resources at once.
713 =back
715 =head2 Attributes: Restricting Access To Subroutines
717 In addition to synchronizing access to data or resources, you might
718 find it useful to synchronize access to subroutines.  You may be
719 accessing a singular machine resource (perhaps a vector processor), or
720 find it easier to serialize calls to a particular subroutine than to
721 have a set of locks and semaphores.
723 One of the additions to Perl 5.005 is subroutine attributes.  The
724 Thread package uses these to provide several flavors of
725 serialization.  It's important to remember that these attributes are
726 used in the compilation phase of your program so you can't change a
727 subroutine's behavior while your program is actually running.
729 =head2 Subroutine Locks
731 The basic subroutine lock looks like this:
733     sub test_sub :locked { 
734     }
736 This ensures that only one thread will be executing this subroutine at
737 any one time.  Once a thread calls this subroutine, any other thread
738 that calls it will block until the thread in the subroutine exits
739 it.  A more elaborate example looks like this:
741     use Thread qw(yield); 
743     new Thread \&thread_sub, 1; 
744     new Thread \&thread_sub, 2; 
745     new Thread \&thread_sub, 3; 
746     new Thread \&thread_sub, 4;
748     sub sync_sub :locked { 
749         my $CallingThread = shift @_; 
750         print "In sync_sub for thread $CallingThread\n";
751         yield; 
752         sleep 3; 
753         print "Leaving sync_sub for thread $CallingThread\n"; 
754     }
756     sub thread_sub { 
757         my $ThreadID = shift @_; 
758         print "Thread $ThreadID calling sync_sub\n";
759         sync_sub($ThreadID); 
760         print "$ThreadID is done with sync_sub\n"; 
761     }
763 The C<locked> attribute tells perl to lock sync_sub(), and if you run
764 this, you can see that only one thread is in it at any one time.
766 =head2 Methods
768 Locking an entire subroutine can sometimes be overkill, especially
769 when dealing with Perl objects.  When calling a method for an object,
770 for example, you want to serialize calls to a method, so that only one
771 thread will be in the subroutine for a particular object, but threads
772 calling that subroutine for a different object aren't blocked.  The
773 method attribute indicates whether the subroutine is really a method.
775     use Thread;
777     sub tester { 
778         my $thrnum = shift @_; 
779         my $bar = new Foo; 
780         foreach (1..10) {       
781             print "$thrnum calling per_object\n"; 
782             $bar->per_object($thrnum);  
783             print "$thrnum out of per_object\n"; 
784             yield; 
785             print "$thrnum calling one_at_a_time\n";
786             $bar->one_at_a_time($thrnum);       
787             print "$thrnum out of one_at_a_time\n"; 
788             yield; 
789         } 
790     }
792     foreach my $thrnum (1..10) { 
793         new Thread \&tester, $thrnum; 
794     }
796     package Foo; 
797     sub new { 
798         my $class = shift @_; 
799         return bless [@_], $class; 
800     }
802     sub per_object :locked :method { 
803         my ($class, $thrnum) = @_; 
804         print "In per_object for thread $thrnum\n"; 
805         yield; 
806         sleep 2; 
807         print "Exiting per_object for thread $thrnum\n"; 
808     }
810     sub one_at_a_time :locked { 
811         my ($class, $thrnum) = @_; 
812         print "In one_at_a_time for thread $thrnum\n";     
813         yield; 
814         sleep 2; 
815         print "Exiting one_at_a_time for thread $thrnum\n"; 
816     }
818 As you can see from the output (omitted for brevity; it's 800 lines)
819 all the threads can be in per_object() simultaneously, but only one
820 thread is ever in one_at_a_time() at once.
822 =head2 Locking A Subroutine
824 You can lock a subroutine as you would lock a variable.  Subroutine locks
825 work the same as specifying a C<locked> attribute for the subroutine,
826 and block all access to the subroutine for other threads until the
827 lock goes out of scope.  When the subroutine isn't locked, any number
828 of threads can be in it at once, and getting a lock on a subroutine
829 doesn't affect threads already in the subroutine.  Getting a lock on a
830 subroutine looks like this:
832     lock(\&sub_to_lock);
834 Simple enough.  Unlike the C<locked> attribute, which is a compile time
835 option, locking and unlocking a subroutine can be done at runtime at your
836 discretion.  There is some runtime penalty to using lock(\&sub) instead
837 of the C<locked> attribute, so make sure you're choosing the proper
838 method to do the locking.
840 You'd choose lock(\&sub) when writing modules and code to run on both
841 threaded and unthreaded Perl, especially for code that will run on
842 5.004 or earlier Perls.  In that case, it's useful to have subroutines
843 that should be serialized lock themselves if they're running threaded,
844 like so:
846     package Foo; 
847     use Config; 
848     $Running_Threaded = 0;
850     BEGIN { $Running_Threaded = $Config{'usethreads'} }
852     sub sub1 { lock(\&sub1) if $Running_Threaded }
855 This way you can ensure single-threadedness regardless of which
856 version of Perl you're running.
858 =head1 General Thread Utility Routines
860 We've covered the workhorse parts of Perl's threading package, and
861 with these tools you should be well on your way to writing threaded
862 code and packages.  There are a few useful little pieces that didn't
863 really fit in anyplace else.
865 =head2 What Thread Am I In?
867 The Thread->self method provides your program with a way to get an
868 object representing the thread it's currently in.  You can use this
869 object in the same way as the ones returned from the thread creation.
871 =head2 Thread IDs
873 tid() is a thread object method that returns the thread ID of the
874 thread the object represents.  Thread IDs are integers, with the main
875 thread in a program being 0.  Currently Perl assigns a unique tid to
876 every thread ever created in your program, assigning the first thread
877 to be created a tid of 1, and increasing the tid by 1 for each new
878 thread that's created.
880 =head2 Are These Threads The Same?
882 The equal() method takes two thread objects and returns true 
883 if the objects represent the same thread, and false if they don't.
885 =head2 What Threads Are Running?
887 Thread->list returns a list of thread objects, one for each thread
888 that's currently running.  Handy for a number of things, including
889 cleaning up at the end of your program:
891     # Loop through all the threads 
892     foreach $thr (Thread->list) { 
893         # Don't join the main thread or ourselves 
894         if ($thr->tid && !Thread::equal($thr, Thread->self)) { 
895             $thr->join; 
896         } 
897     }
899 The example above is just for illustration.  It isn't strictly
900 necessary to join all the threads you create, since Perl detaches all
901 the threads before it exits.
903 =head1 A Complete Example
905 Confused yet? It's time for an example program to show some of the
906 things we've covered.  This program finds prime numbers using threads.
908     1  #!/usr/bin/perl -w
909     2  # prime-pthread, courtesy of Tom Christiansen
910     3
911     4  use strict;
912     5
913     6  use Thread;
914     7  use Thread::Queue;
915     8
916     9  my $stream = new Thread::Queue;
917     10 my $kid    = new Thread(\&check_num, $stream, 2);
918     11
919     12 for my $i ( 3 .. 1000 ) {
920     13     $stream->enqueue($i);
921     14 } 
922     15
923     16 $stream->enqueue(undef);
924     17 $kid->join();
925     18
926     19 sub check_num {
927     20     my ($upstream, $cur_prime) = @_;
928     21     my $kid;
929     22     my $downstream = new Thread::Queue;
930     23     while (my $num = $upstream->dequeue) {
931     24         next unless $num % $cur_prime;
932     25         if ($kid) {
933     26            $downstream->enqueue($num);
934     27                  } else {
935     28            print "Found prime $num\n";
936     29                $kid = new Thread(\&check_num, $downstream, $num);
937     30         }
938     31     } 
939     32     $downstream->enqueue(undef) if $kid;
940     33     $kid->join()         if $kid;
941     34 }
943 This program uses the pipeline model to generate prime numbers.  Each
944 thread in the pipeline has an input queue that feeds numbers to be
945 checked, a prime number that it's responsible for, and an output queue
946 that it funnels numbers that have failed the check into.  If the thread
947 has a number that's failed its check and there's no child thread, then
948 the thread must have found a new prime number.  In that case, a new
949 child thread is created for that prime and stuck on the end of the
950 pipeline.
952 This probably sounds a bit more confusing than it really is, so lets
953 go through this program piece by piece and see what it does.  (For
954 those of you who might be trying to remember exactly what a prime
955 number is, it's a number that's only evenly divisible by itself and 1)
957 The bulk of the work is done by the check_num() subroutine, which
958 takes a reference to its input queue and a prime number that it's
959 responsible for.  After pulling in the input queue and the prime that
960 the subroutine's checking (line 20), we create a new queue (line 22)
961 and reserve a scalar for the thread that we're likely to create later
962 (line 21).
964 The while loop from lines 23 to line 31 grabs a scalar off the input
965 queue and checks against the prime this thread is responsible
966 for.  Line 24 checks to see if there's a remainder when we modulo the
967 number to be checked against our prime.  If there is one, the number
968 must not be evenly divisible by our prime, so we need to either pass
969 it on to the next thread if we've created one (line 26) or create a
970 new thread if we haven't.
972 The new thread creation is line 29.  We pass on to it a reference to
973 the queue we've created, and the prime number we've found.
975 Finally, once the loop terminates (because we got a 0 or undef in the
976 queue, which serves as a note to die), we pass on the notice to our
977 child and wait for it to exit if we've created a child (Lines 32 and
978 37).
980 Meanwhile, back in the main thread, we create a queue (line 9) and the
981 initial child thread (line 10), and pre-seed it with the first prime:
982 2.  Then we queue all the numbers from 3 to 1000 for checking (lines
983 12-14), then queue a die notice (line 16) and wait for the first child
984 thread to terminate (line 17).  Because a child won't die until its
985 child has died, we know that we're done once we return from the join.
987 That's how it works.  It's pretty simple; as with many Perl programs,
988 the explanation is much longer than the program.
990 =head1 Conclusion
992 A complete thread tutorial could fill a book (and has, many times),
993 but this should get you well on your way.  The final authority on how
994 Perl's threads behave is the documentation bundled with the Perl
995 distribution, but with what we've covered in this article, you should
996 be well on your way to becoming a threaded Perl expert.
998 =head1 Bibliography
1000 Here's a short bibliography courtesy of Jürgen Christoffel:
1002 =head2 Introductory Texts
1004 Birrell, Andrew D. An Introduction to Programming with
1005 Threads. Digital Equipment Corporation, 1989, DEC-SRC Research Report
1006 #35 online as
1007 http://www.research.digital.com/SRC/staff/birrell/bib.html (highly
1008 recommended)
1010 Robbins, Kay. A., and Steven Robbins. Practical Unix Programming: A
1011 Guide to Concurrency, Communication, and
1012 Multithreading. Prentice-Hall, 1996.
1014 Lewis, Bill, and Daniel J. Berg. Multithreaded Programming with
1015 Pthreads. Prentice Hall, 1997, ISBN 0-13-443698-9 (a well-written
1016 introduction to threads).
1018 Nelson, Greg (editor). Systems Programming with Modula-3.  Prentice
1019 Hall, 1991, ISBN 0-13-590464-1.
1021 Nichols, Bradford, Dick Buttlar, and Jacqueline Proulx Farrell.
1022 Pthreads Programming. O'Reilly & Associates, 1996, ISBN 156592-115-1
1023 (covers POSIX threads).
1025 =head2 OS-Related References
1027 Boykin, Joseph, David Kirschen, Alan Langerman, and Susan
1028 LoVerso. Programming under Mach. Addison-Wesley, 1994, ISBN
1029 0-201-52739-1.
1031 Tanenbaum, Andrew S. Distributed Operating Systems. Prentice Hall,
1032 1995, ISBN 0-13-219908-4 (great textbook).
1034 Silberschatz, Abraham, and Peter B. Galvin. Operating System Concepts,
1035 4th ed. Addison-Wesley, 1995, ISBN 0-201-59292-4
1037 =head2 Other References
1039 Arnold, Ken and James Gosling. The Java Programming Language, 2nd
1040 ed. Addison-Wesley, 1998, ISBN 0-201-31006-6.
1042 Le Sergent, T. and B. Berthomieu. "Incremental MultiThreaded Garbage
1043 Collection on Virtually Shared Memory Architectures" in Memory
1044 Management: Proc. of the International Workshop IWMM 92, St. Malo,
1045 France, September 1992, Yves Bekkers and Jacques Cohen, eds. Springer,
1046 1992, ISBN 3540-55940-X (real-life thread applications).
1048 =head1 Acknowledgements
1050 Thanks (in no particular order) to Chaim Frenkel, Steve Fink, Gurusamy
1051 Sarathy, Ilya Zakharevich, Benjamin Sugars, Jürgen Christoffel, Joshua
1052 Pritikin, and Alan Burlison, for their help in reality-checking and
1053 polishing this article.  Big thanks to Tom Christiansen for his rewrite
1054 of the prime number generator.
1056 =head1 AUTHOR
1058 Dan Sugalski E<lt>sugalskd@ous.eduE<gt>
1060 =head1 Copyrights
1062 This article originally appeared in The Perl Journal #10, and is
1063 copyright 1998 The Perl Journal. It appears courtesy of Jon Orwant and
1064 The Perl Journal.  This document may be distributed under the same terms
1065 as Perl itself.