Upgrade to Text-Tabs+Wrap-2006.0711. Keep the local changes from
[p5sagit/p5-mst-13.2.git] / pod / perlthrtut.pod
1 =head1 NAME
2
3 perlthrtut - tutorial on threads in Perl
4
5 =head1 DESCRIPTION
6
7 B<NOTE>: this tutorial describes the new Perl threading flavour
8 introduced in Perl 5.6.0 called interpreter threads, or B<ithreads>
9 for short.  In this model each thread runs in its own Perl interpreter,
10 and any data sharing between threads must be explicit.
11
12 There is another older Perl threading flavour called the 5.005 model,
13 unsurprisingly for 5.005 versions of Perl.  The old model is known to
14 have problems, is deprecated, and support for it will be removed in release
15 5.10. You are strongly encouraged to migrate any existing 5.005
16 threads code to the new model as soon as possible.
17
18 You can see which (or neither) threading flavour you have by
19 running C<perl -V> and looking at the C<Platform> section.
20 If you have C<useithreads=define> you have ithreads, if you
21 have C<use5005threads=define> you have 5.005 threads.
22 If you have neither, you don't have any thread support built in.
23 If you have both, you are in trouble.
24
25 The user-level interface to the 5.005 threads was via the L<Threads>
26 class, while ithreads uses the L<threads> class. Note the change in case.
27
28 =head1 Status
29
30 The ithreads code has been available since Perl 5.6.0, and is considered
31 stable. The user-level interface to ithreads (the L<threads> classes)
32 appeared in the 5.8.0 release, and as of this time is considered stable
33 although it should be treated with caution as with all new features.
34
35 =head1 What Is A Thread Anyway?
36
37 A thread is a flow of control through a program with a single
38 execution point.
39
40 Sounds an awful lot like a process, doesn't it? Well, it should.
41 Threads are one of the pieces of a process.  Every process has at least
42 one thread and, up until now, every process running Perl had only one
43 thread.  With 5.8, though, you can create extra threads.  We're going
44 to show you how, when, and why.
45
46 =head1 Threaded Program Models
47
48 There are three basic ways that you can structure a threaded
49 program.  Which model you choose depends on what you need your program
50 to do.  For many non-trivial threaded programs you'll need to choose
51 different models for different pieces of your program.
52
53 =head2 Boss/Worker
54
55 The boss/worker model usually has one "boss" thread and one or more
56 "worker" threads.  The boss thread gathers or generates tasks that need
57 to be done, then parcels those tasks out to the appropriate worker
58 thread.
59
60 This model is common in GUI and server programs, where a main thread
61 waits for some event and then passes that event to the appropriate
62 worker threads for processing.  Once the event has been passed on, the
63 boss thread goes back to waiting for another event.
64
65 The boss thread does relatively little work.  While tasks aren't
66 necessarily performed faster than with any other method, it tends to
67 have the best user-response times.
68
69 =head2 Work Crew
70
71 In the work crew model, several threads are created that do
72 essentially the same thing to different pieces of data.  It closely
73 mirrors classical parallel processing and vector processors, where a
74 large array of processors do the exact same thing to many pieces of
75 data.
76
77 This model is particularly useful if the system running the program
78 will distribute multiple threads across different processors.  It can
79 also be useful in ray tracing or rendering engines, where the
80 individual threads can pass on interim results to give the user visual
81 feedback.
82
83 =head2 Pipeline
84
85 The pipeline model divides up a task into a series of steps, and
86 passes the results of one step on to the thread processing the
87 next.  Each thread does one thing to each piece of data and passes the
88 results to the next thread in line.
89
90 This model makes the most sense if you have multiple processors so two
91 or more threads will be executing in parallel, though it can often
92 make sense in other contexts as well.  It tends to keep the individual
93 tasks small and simple, as well as allowing some parts of the pipeline
94 to block (on I/O or system calls, for example) while other parts keep
95 going.  If you're running different parts of the pipeline on different
96 processors you may also take advantage of the caches on each
97 processor.
98
99 This model is also handy for a form of recursive programming where,
100 rather than having a subroutine call itself, it instead creates
101 another thread.  Prime and Fibonacci generators both map well to this
102 form of the pipeline model. (A version of a prime number generator is
103 presented later on.)
104
105 =head1 What kind of threads are Perl threads?
106
107 If you have experience with other thread implementations, you might
108 find that things aren't quite what you expect.  It's very important to
109 remember when dealing with Perl threads that Perl Threads Are Not X
110 Threads, for all values of X.  They aren't POSIX threads, or
111 DecThreads, or Java's Green threads, or Win32 threads.  There are
112 similarities, and the broad concepts are the same, but if you start
113 looking for implementation details you're going to be either
114 disappointed or confused.  Possibly both.
115
116 This is not to say that Perl threads are completely different from
117 everything that's ever come before--they're not.  Perl's threading
118 model owes a lot to other thread models, especially POSIX.  Just as
119 Perl is not C, though, Perl threads are not POSIX threads.  So if you
120 find yourself looking for mutexes, or thread priorities, it's time to
121 step back a bit and think about what you want to do and how Perl can
122 do it.
123
124 However it is important to remember that Perl threads cannot magically
125 do things unless your operating systems threads allows it. So if your
126 system blocks the entire process on sleep(), Perl usually will as well.
127
128 Perl Threads Are Different.
129
130 =head1 Thread-Safe Modules
131
132 The addition of threads has changed Perl's internals
133 substantially. There are implications for people who write
134 modules with XS code or external libraries. However, since perl data is
135 not shared among threads by default, Perl modules stand a high chance of
136 being thread-safe or can be made thread-safe easily.  Modules that are not
137 tagged as thread-safe should be tested or code reviewed before being used
138 in production code.
139
140 Not all modules that you might use are thread-safe, and you should
141 always assume a module is unsafe unless the documentation says
142 otherwise.  This includes modules that are distributed as part of the
143 core.  Threads are a new feature, and even some of the standard
144 modules aren't thread-safe.
145
146 Even if a module is thread-safe, it doesn't mean that the module is optimized
147 to work well with threads. A module could possibly be rewritten to utilize
148 the new features in threaded Perl to increase performance in a threaded
149 environment.
150
151 If you're using a module that's not thread-safe for some reason, you
152 can protect yourself by using it from one, and only one thread at all.
153 If you need multiple threads to access such a module, you can use semaphores and
154 lots of programming discipline to control access to it.  Semaphores
155 are covered in L</"Basic semaphores">.
156
157 See also L</"Thread-Safety of System Libraries">.
158
159 =head1 Thread Basics
160
161 The core L<threads> module provides the basic functions you need to write
162 threaded programs.  In the following sections we'll cover the basics,
163 showing you what you need to do to create a threaded program.   After
164 that, we'll go over some of the features of the L<threads> module that
165 make threaded programming easier.
166
167 =head2 Basic Thread Support
168
169 Thread support is a Perl compile-time option - it's something that's
170 turned on or off when Perl is built at your site, rather than when
171 your programs are compiled. If your Perl wasn't compiled with thread
172 support enabled, then any attempt to use threads will fail.
173
174 Your programs can use the Config module to check whether threads are
175 enabled. If your program can't run without them, you can say something
176 like:
177
178     $Config{useithreads} or die "Recompile Perl with threads to run this program.";
179
180 A possibly-threaded program using a possibly-threaded module might
181 have code like this:
182
183     use Config;
184     use MyMod;
185
186     BEGIN {
187         if ($Config{useithreads}) {
188             # We have threads
189             require MyMod_threaded;
190            import MyMod_threaded;
191         } else {
192            require MyMod_unthreaded;
193            import MyMod_unthreaded;
194         }
195     }
196
197 Since code that runs both with and without threads is usually pretty
198 messy, it's best to isolate the thread-specific code in its own
199 module.  In our example above, that's what MyMod_threaded is, and it's
200 only imported if we're running on a threaded Perl.
201
202 =head2 A Note about the Examples
203
204 Although thread support is considered to be stable, there are still a number
205 of quirks that may startle you when you try out any of the examples below.
206 In a real situation, care should be taken that all threads are finished
207 executing before the program exits.  That care has B<not> been taken in these
208 examples in the interest of simplicity.  Running these examples "as is" will
209 produce error messages, usually caused by the fact that there are still
210 threads running when the program exits.  You should not be alarmed by this.
211 Future versions of Perl may fix this problem.
212
213 =head2 Creating Threads
214
215 The L<threads> package provides the tools you need to create new
216 threads.  Like any other module, you need to tell Perl that you want to use
217 it; C<use threads> imports all the pieces you need to create basic
218 threads.
219
220 The simplest, most straightforward way to create a thread is with new():
221
222     use threads;
223
224     $thr = threads->new(\&sub1);
225
226     sub sub1 {
227         print "In the thread\n";
228     }
229
230 The new() method takes a reference to a subroutine and creates a new
231 thread, which starts executing in the referenced subroutine.  Control
232 then passes both to the subroutine and the caller.
233
234 If you need to, your program can pass parameters to the subroutine as
235 part of the thread startup.  Just include the list of parameters as
236 part of the C<threads::new> call, like this:
237
238     use threads;
239
240     $Param3 = "foo";
241     $thr = threads->new(\&sub1, "Param 1", "Param 2", $Param3);
242     $thr = threads->new(\&sub1, @ParamList);
243     $thr = threads->new(\&sub1, qw(Param1 Param2 Param3));
244
245     sub sub1 {
246         my @InboundParameters = @_;
247         print "In the thread\n";
248         print "got parameters >", join("<>", @InboundParameters), "<\n";
249     }
250
251
252 The last example illustrates another feature of threads.  You can spawn
253 off several threads using the same subroutine.  Each thread executes
254 the same subroutine, but in a separate thread with a separate
255 environment and potentially separate arguments.
256
257 C<create()> is a synonym for C<new()>.
258
259 =head2 Waiting For A Thread To Exit
260
261 Since threads are also subroutines, they can return values.  To wait
262 for a thread to exit and extract any values it might return, you can
263 use the join() method:
264
265     use threads;
266
267     $thr = threads->new(\&sub1);
268
269     @ReturnData = $thr->join;
270     print "Thread returned @ReturnData";
271
272     sub sub1 { return "Fifty-six", "foo", 2; }
273
274 In the example above, the join() method returns as soon as the thread
275 ends.  In addition to waiting for a thread to finish and gathering up
276 any values that the thread might have returned, join() also performs
277 any OS cleanup necessary for the thread.  That cleanup might be
278 important, especially for long-running programs that spawn lots of
279 threads.  If you don't want the return values and don't want to wait
280 for the thread to finish, you should call the detach() method
281 instead, as described next.
282
283 =head2 Ignoring A Thread
284
285 join() does three things: it waits for a thread to exit, cleans up
286 after it, and returns any data the thread may have produced.  But what
287 if you're not interested in the thread's return values, and you don't
288 really care when the thread finishes? All you want is for the thread
289 to get cleaned up after when it's done.
290
291 In this case, you use the detach() method.  Once a thread is detached,
292 it'll run until it's finished, then Perl will clean up after it
293 automatically.
294
295     use threads;
296
297     $thr = threads->new(\&sub1); # Spawn the thread
298
299     $thr->detach; # Now we officially don't care any more
300
301     sub sub1 {
302         $a = 0;
303         while (1) {
304             $a++;
305             print "\$a is $a\n";
306             sleep 1;
307         }
308     }
309
310 Once a thread is detached, it may not be joined, and any return data
311 that it might have produced (if it was done and waiting for a join) is
312 lost.
313
314 =head1 Threads And Data
315
316 Now that we've covered the basics of threads, it's time for our next
317 topic: data.  Threading introduces a couple of complications to data
318 access that non-threaded programs never need to worry about.
319
320 =head2 Shared And Unshared Data
321
322 The biggest difference between Perl ithreads and the old 5.005 style
323 threading, or for that matter, to most other threading systems out there,
324 is that by default, no data is shared. When a new perl thread is created,
325 all the data associated with the current thread is copied to the new
326 thread, and is subsequently private to that new thread!
327 This is similar in feel to what happens when a UNIX process forks,
328 except that in this case, the data is just copied to a different part of
329 memory within the same process rather than a real fork taking place.
330
331 To make use of threading however, one usually wants the threads to share
332 at least some data between themselves. This is done with the
333 L<threads::shared> module and the C< : shared> attribute:
334
335     use threads;
336     use threads::shared;
337
338     my $foo : shared = 1;
339     my $bar = 1;
340     threads->new(sub { $foo++; $bar++ })->join;
341
342     print "$foo\n";  #prints 2 since $foo is shared
343     print "$bar\n";  #prints 1 since $bar is not shared
344
345 In the case of a shared array, all the array's elements are shared, and for
346 a shared hash, all the keys and values are shared. This places
347 restrictions on what may be assigned to shared array and hash elements: only
348 simple values or references to shared variables are allowed - this is
349 so that a private variable can't accidentally become shared. A bad
350 assignment will cause the thread to die. For example:
351
352     use threads;
353     use threads::shared;
354
355     my $var           = 1;
356     my $svar : shared = 2;
357     my %hash : shared;
358
359     ... create some threads ...
360
361     $hash{a} = 1;       # all threads see exists($hash{a}) and $hash{a} == 1
362     $hash{a} = $var     # okay - copy-by-value: same effect as previous
363     $hash{a} = $svar    # okay - copy-by-value: same effect as previous
364     $hash{a} = \$svar   # okay - a reference to a shared variable
365     $hash{a} = \$var    # This will die
366     delete $hash{a}     # okay - all threads will see !exists($hash{a})
367
368 Note that a shared variable guarantees that if two or more threads try to
369 modify it at the same time, the internal state of the variable will not
370 become corrupted. However, there are no guarantees beyond this, as
371 explained in the next section.
372
373 =head2 Thread Pitfalls: Races
374
375 While threads bring a new set of useful tools, they also bring a
376 number of pitfalls.  One pitfall is the race condition:
377
378     use threads;
379     use threads::shared;
380
381     my $a : shared = 1;
382     $thr1 = threads->new(\&sub1);
383     $thr2 = threads->new(\&sub2);
384
385     $thr1->join;
386     $thr2->join;
387     print "$a\n";
388
389     sub sub1 { my $foo = $a; $a = $foo + 1; }
390     sub sub2 { my $bar = $a; $a = $bar + 1; }
391
392 What do you think $a will be? The answer, unfortunately, is "it
393 depends." Both sub1() and sub2() access the global variable $a, once
394 to read and once to write.  Depending on factors ranging from your
395 thread implementation's scheduling algorithm to the phase of the moon,
396 $a can be 2 or 3.
397
398 Race conditions are caused by unsynchronized access to shared
399 data.  Without explicit synchronization, there's no way to be sure that
400 nothing has happened to the shared data between the time you access it
401 and the time you update it.  Even this simple code fragment has the
402 possibility of error:
403
404     use threads;
405     my $a : shared = 2;
406     my $b : shared;
407     my $c : shared;
408     my $thr1 = threads->create(sub { $b = $a; $a = $b + 1; });
409     my $thr2 = threads->create(sub { $c = $a; $a = $c + 1; });
410     $thr1->join;
411     $thr2->join;
412
413 Two threads both access $a.  Each thread can potentially be interrupted
414 at any point, or be executed in any order.  At the end, $a could be 3
415 or 4, and both $b and $c could be 2 or 3.
416
417 Even C<$a += 5> or C<$a++> are not guaranteed to be atomic.
418
419 Whenever your program accesses data or resources that can be accessed
420 by other threads, you must take steps to coordinate access or risk
421 data inconsistency and race conditions. Note that Perl will protect its
422 internals from your race conditions, but it won't protect you from you.
423
424 =head1 Synchronization and control
425
426 Perl provides a number of mechanisms to coordinate the interactions
427 between themselves and their data, to avoid race conditions and the like.
428 Some of these are designed to resemble the common techniques used in thread
429 libraries such as C<pthreads>; others are Perl-specific. Often, the
430 standard techniques are clumsy and difficult to get right (such as
431 condition waits). Where possible, it is usually easier to use Perlish
432 techniques such as queues, which remove some of the hard work involved.
433
434 =head2 Controlling access: lock()
435
436 The lock() function takes a shared variable and puts a lock on it.
437 No other thread may lock the variable until the variable is unlocked
438 by the thread holding the lock. Unlocking happens automatically
439 when the locking thread exits the block that contains the call to the
440 C<lock()> function.  Using lock() is straightforward: this example has
441 several threads doing some calculations in parallel, and occasionally
442 updating a running total:
443
444     use threads;
445     use threads::shared;
446
447     my $total : shared = 0;
448
449     sub calc {
450         for (;;) {
451             my $result;
452             # (... do some calculations and set $result ...)
453             {
454                 lock($total); # block until we obtain the lock
455                 $total += $result;
456             } # lock implicitly released at end of scope
457             last if $result == 0;
458         }
459     }
460
461     my $thr1 = threads->new(\&calc);
462     my $thr2 = threads->new(\&calc);
463     my $thr3 = threads->new(\&calc);
464     $thr1->join;
465     $thr2->join;
466     $thr3->join;
467     print "total=$total\n";
468
469 lock() blocks the thread until the variable being locked is
470 available.  When lock() returns, your thread can be sure that no other
471 thread can lock that variable until the block containing the
472 lock exits.
473
474 It's important to note that locks don't prevent access to the variable
475 in question, only lock attempts.  This is in keeping with Perl's
476 longstanding tradition of courteous programming, and the advisory file
477 locking that flock() gives you.
478
479 You may lock arrays and hashes as well as scalars.  Locking an array,
480 though, will not block subsequent locks on array elements, just lock
481 attempts on the array itself.
482
483 Locks are recursive, which means it's okay for a thread to
484 lock a variable more than once.  The lock will last until the outermost
485 lock() on the variable goes out of scope. For example:
486
487     my $x : shared;
488     doit();
489
490     sub doit {
491         {
492             {
493                 lock($x); # wait for lock
494                 lock($x); # NOOP - we already have the lock
495                 {
496                     lock($x); # NOOP
497                     {
498                         lock($x); # NOOP
499                         lockit_some_more();
500                     }
501                 }
502             } # *** implicit unlock here ***
503         }
504     }
505
506     sub lockit_some_more {
507         lock($x); # NOOP
508     } # nothing happens here
509
510 Note that there is no unlock() function - the only way to unlock a
511 variable is to allow it to go out of scope.
512
513 A lock can either be used to guard the data contained within the variable
514 being locked, or it can be used to guard something else, like a section
515 of code. In this latter case, the variable in question does not hold any
516 useful data, and exists only for the purpose of being locked. In this
517 respect, the variable behaves like the mutexes and basic semaphores of
518 traditional thread libraries.
519
520 =head2 A Thread Pitfall: Deadlocks
521
522 Locks are a handy tool to synchronize access to data, and using them
523 properly is the key to safe shared data.  Unfortunately, locks aren't
524 without their dangers, especially when multiple locks are involved.
525 Consider the following code:
526
527     use threads;
528
529     my $a : shared = 4;
530     my $b : shared = "foo";
531     my $thr1 = threads->new(sub {
532         lock($a);
533         sleep 20;
534         lock($b);
535     });
536     my $thr2 = threads->new(sub {
537         lock($b);
538         sleep 20;
539         lock($a);
540     });
541
542 This program will probably hang until you kill it.  The only way it
543 won't hang is if one of the two threads acquires both locks
544 first.  A guaranteed-to-hang version is more complicated, but the
545 principle is the same.
546
547 The first thread will grab a lock on $a, then, after a pause during which
548 the second thread has probably had time to do some work, try to grab a
549 lock on $b.  Meanwhile, the second thread grabs a lock on $b, then later
550 tries to grab a lock on $a.  The second lock attempt for both threads will
551 block, each waiting for the other to release its lock.
552
553 This condition is called a deadlock, and it occurs whenever two or
554 more threads are trying to get locks on resources that the others
555 own.  Each thread will block, waiting for the other to release a lock
556 on a resource.  That never happens, though, since the thread with the
557 resource is itself waiting for a lock to be released.
558
559 There are a number of ways to handle this sort of problem.  The best
560 way is to always have all threads acquire locks in the exact same
561 order.  If, for example, you lock variables $a, $b, and $c, always lock
562 $a before $b, and $b before $c.  It's also best to hold on to locks for
563 as short a period of time to minimize the risks of deadlock.
564
565 The other synchronization primitives described below can suffer from
566 similar problems.
567
568 =head2 Queues: Passing Data Around
569
570 A queue is a special thread-safe object that lets you put data in one
571 end and take it out the other without having to worry about
572 synchronization issues.  They're pretty straightforward, and look like
573 this:
574
575     use threads;
576     use Thread::Queue;
577
578     my $DataQueue = Thread::Queue->new;
579     $thr = threads->new(sub {
580         while ($DataElement = $DataQueue->dequeue) {
581             print "Popped $DataElement off the queue\n";
582         }
583     });
584
585     $DataQueue->enqueue(12);
586     $DataQueue->enqueue("A", "B", "C");
587     $DataQueue->enqueue(\$thr);
588     sleep 10;
589     $DataQueue->enqueue(undef);
590     $thr->join;
591
592 You create the queue with C<new Thread::Queue>.  Then you can
593 add lists of scalars onto the end with enqueue(), and pop scalars off
594 the front of it with dequeue().  A queue has no fixed size, and can grow
595 as needed to hold everything pushed on to it.
596
597 If a queue is empty, dequeue() blocks until another thread enqueues
598 something.  This makes queues ideal for event loops and other
599 communications between threads.
600
601 =head2 Semaphores: Synchronizing Data Access
602
603 Semaphores are a kind of generic locking mechanism. In their most basic
604 form, they behave very much like lockable scalars, except that they
605 can't hold data, and that they must be explicitly unlocked. In their
606 advanced form, they act like a kind of counter, and can allow multiple
607 threads to have the 'lock' at any one time.
608
609 =head2 Basic semaphores
610
611 Semaphores have two methods, down() and up(): down() decrements the resource
612 count, while up increments it. Calls to down() will block if the
613 semaphore's current count would decrement below zero.  This program
614 gives a quick demonstration:
615
616     use threads;
617     use Thread::Semaphore;
618
619     my $semaphore = new Thread::Semaphore;
620     my $GlobalVariable : shared = 0;
621
622     $thr1 = new threads \&sample_sub, 1;
623     $thr2 = new threads \&sample_sub, 2;
624     $thr3 = new threads \&sample_sub, 3;
625
626     sub sample_sub {
627         my $SubNumber = shift @_;
628         my $TryCount = 10;
629         my $LocalCopy;
630         sleep 1;
631         while ($TryCount--) {
632             $semaphore->down;
633             $LocalCopy = $GlobalVariable;
634             print "$TryCount tries left for sub $SubNumber (\$GlobalVariable is $GlobalVariable)\n";
635             sleep 2;
636             $LocalCopy++;
637             $GlobalVariable = $LocalCopy;
638             $semaphore->up;
639         }
640     }
641
642     $thr1->join;
643     $thr2->join;
644     $thr3->join;
645
646 The three invocations of the subroutine all operate in sync.  The
647 semaphore, though, makes sure that only one thread is accessing the
648 global variable at once.
649
650 =head2 Advanced Semaphores
651
652 By default, semaphores behave like locks, letting only one thread
653 down() them at a time.  However, there are other uses for semaphores.
654
655 Each semaphore has a counter attached to it. By default, semaphores are
656 created with the counter set to one, down() decrements the counter by
657 one, and up() increments by one. However, we can override any or all
658 of these defaults simply by passing in different values:
659
660     use threads;
661     use Thread::Semaphore;
662     my $semaphore = Thread::Semaphore->new(5);
663                     # Creates a semaphore with the counter set to five
664
665     $thr1 = threads->new(\&sub1);
666     $thr2 = threads->new(\&sub1);
667
668     sub sub1 {
669         $semaphore->down(5); # Decrements the counter by five
670         # Do stuff here
671         $semaphore->up(5); # Increment the counter by five
672     }
673
674     $thr1->detach;
675     $thr2->detach;
676
677 If down() attempts to decrement the counter below zero, it blocks until
678 the counter is large enough.  Note that while a semaphore can be created
679 with a starting count of zero, any up() or down() always changes the
680 counter by at least one, and so $semaphore->down(0) is the same as
681 $semaphore->down(1).
682
683 The question, of course, is why would you do something like this? Why
684 create a semaphore with a starting count that's not one, or why
685 decrement/increment it by more than one? The answer is resource
686 availability.  Many resources that you want to manage access for can be
687 safely used by more than one thread at once.
688
689 For example, let's take a GUI driven program.  It has a semaphore that
690 it uses to synchronize access to the display, so only one thread is
691 ever drawing at once.  Handy, but of course you don't want any thread
692 to start drawing until things are properly set up.  In this case, you
693 can create a semaphore with a counter set to zero, and up it when
694 things are ready for drawing.
695
696 Semaphores with counters greater than one are also useful for
697 establishing quotas.  Say, for example, that you have a number of
698 threads that can do I/O at once.  You don't want all the threads
699 reading or writing at once though, since that can potentially swamp
700 your I/O channels, or deplete your process' quota of filehandles.  You
701 can use a semaphore initialized to the number of concurrent I/O
702 requests (or open files) that you want at any one time, and have your
703 threads quietly block and unblock themselves.
704
705 Larger increments or decrements are handy in those cases where a
706 thread needs to check out or return a number of resources at once.
707
708 =head2 cond_wait() and cond_signal()
709
710 These two functions can be used in conjunction with locks to notify
711 co-operating threads that a resource has become available. They are
712 very similar in use to the functions found in C<pthreads>. However
713 for most purposes, queues are simpler to use and more intuitive. See
714 L<threads::shared> for more details.
715
716 =head2 Giving up control
717
718 There are times when you may find it useful to have a thread
719 explicitly give up the CPU to another thread.  You may be doing something
720 processor-intensive and want to make sure that the user-interface thread
721 gets called frequently.  Regardless, there are times that you might want
722 a thread to give up the processor.
723
724 Perl's threading package provides the yield() function that does
725 this. yield() is pretty straightforward, and works like this:
726
727     use threads;
728
729     sub loop {
730         my $thread = shift;
731         my $foo = 50;
732         while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
733         threads->yield;
734         $foo = 50;
735         while($foo--) { print "in thread $thread\n" }
736     }
737
738     my $thread1 = threads->new(\&loop, 'first');
739     my $thread2 = threads->new(\&loop, 'second');
740     my $thread3 = threads->new(\&loop, 'third');
741
742 It is important to remember that yield() is only a hint to give up the CPU,
743 it depends on your hardware, OS and threading libraries what actually happens.
744 B<On many operating systems, yield() is a no-op.>  Therefore it is important
745 to note that one should not build the scheduling of the threads around
746 yield() calls. It might work on your platform but it won't work on another
747 platform.
748
749 =head1 General Thread Utility Routines
750
751 We've covered the workhorse parts of Perl's threading package, and
752 with these tools you should be well on your way to writing threaded
753 code and packages.  There are a few useful little pieces that didn't
754 really fit in anyplace else.
755
756 =head2 What Thread Am I In?
757
758 The C<< threads->self >> class method provides your program with a way to
759 get an object representing the thread it's currently in.  You can use this
760 object in the same way as the ones returned from thread creation.
761
762 =head2 Thread IDs
763
764 tid() is a thread object method that returns the thread ID of the
765 thread the object represents.  Thread IDs are integers, with the main
766 thread in a program being 0.  Currently Perl assigns a unique tid to
767 every thread ever created in your program, assigning the first thread
768 to be created a tid of 1, and increasing the tid by 1 for each new
769 thread that's created.
770
771 =head2 Are These Threads The Same?
772
773 The equal() method takes two thread objects and returns true
774 if the objects represent the same thread, and false if they don't.
775
776 Thread objects also have an overloaded == comparison so that you can do
777 comparison on them as you would with normal objects.
778
779 =head2 What Threads Are Running?
780
781 C<< threads->list >> returns a list of thread objects, one for each thread
782 that's currently running and not detached.  Handy for a number of things,
783 including cleaning up at the end of your program:
784
785     # Loop through all the threads
786     foreach $thr (threads->list) {
787         # Don't join the main thread or ourselves
788         if ($thr->tid && !threads::equal($thr, threads->self)) {
789             $thr->join;
790         }
791     }
792
793 If some threads have not finished running when the main Perl thread
794 ends, Perl will warn you about it and die, since it is impossible for Perl
795 to clean up itself while other threads are running
796
797 =head1 A Complete Example
798
799 Confused yet? It's time for an example program to show some of the
800 things we've covered.  This program finds prime numbers using threads.
801
802     1  #!/usr/bin/perl -w
803     2  # prime-pthread, courtesy of Tom Christiansen
804     3
805     4  use strict;
806     5
807     6  use threads;
808     7  use Thread::Queue;
809     8
810     9  my $stream = new Thread::Queue;
811     10 my $kid    = new threads(\&check_num, $stream, 2);
812     11
813     12 for my $i ( 3 .. 1000 ) {
814     13     $stream->enqueue($i);
815     14 }
816     15
817     16 $stream->enqueue(undef);
818     17 $kid->join;
819     18
820     19 sub check_num {
821     20     my ($upstream, $cur_prime) = @_;
822     21     my $kid;
823     22     my $downstream = new Thread::Queue;
824     23     while (my $num = $upstream->dequeue) {
825     24         next unless $num % $cur_prime;
826     25         if ($kid) {
827     26            $downstream->enqueue($num);
828     27                  } else {
829     28            print "Found prime $num\n";
830     29                $kid = new threads(\&check_num, $downstream, $num);
831     30         }
832     31     }
833     32     $downstream->enqueue(undef) if $kid;
834     33     $kid->join           if $kid;
835     34 }
836
837 This program uses the pipeline model to generate prime numbers.  Each
838 thread in the pipeline has an input queue that feeds numbers to be
839 checked, a prime number that it's responsible for, and an output queue
840 into which it funnels numbers that have failed the check.  If the thread
841 has a number that's failed its check and there's no child thread, then
842 the thread must have found a new prime number.  In that case, a new
843 child thread is created for that prime and stuck on the end of the
844 pipeline.
845
846 This probably sounds a bit more confusing than it really is, so let's
847 go through this program piece by piece and see what it does.  (For
848 those of you who might be trying to remember exactly what a prime
849 number is, it's a number that's only evenly divisible by itself and 1)
850
851 The bulk of the work is done by the check_num() subroutine, which
852 takes a reference to its input queue and a prime number that it's
853 responsible for.  After pulling in the input queue and the prime that
854 the subroutine's checking (line 20), we create a new queue (line 22)
855 and reserve a scalar for the thread that we're likely to create later
856 (line 21).
857
858 The while loop from lines 23 to line 31 grabs a scalar off the input
859 queue and checks against the prime this thread is responsible
860 for.  Line 24 checks to see if there's a remainder when we modulo the
861 number to be checked against our prime.  If there is one, the number
862 must not be evenly divisible by our prime, so we need to either pass
863 it on to the next thread if we've created one (line 26) or create a
864 new thread if we haven't.
865
866 The new thread creation is line 29.  We pass on to it a reference to
867 the queue we've created, and the prime number we've found.
868
869 Finally, once the loop terminates (because we got a 0 or undef in the
870 queue, which serves as a note to die), we pass on the notice to our
871 child and wait for it to exit if we've created a child (lines 32 and
872 37).
873
874 Meanwhile, back in the main thread, we create a queue (line 9) and the
875 initial child thread (line 10), and pre-seed it with the first prime:
876 2.  Then we queue all the numbers from 3 to 1000 for checking (lines
877 12-14), then queue a die notice (line 16) and wait for the first child
878 thread to terminate (line 17).  Because a child won't die until its
879 child has died, we know that we're done once we return from the join.
880
881 That's how it works.  It's pretty simple; as with many Perl programs,
882 the explanation is much longer than the program.
883
884 =head1 Different implementations of threads
885
886 Some background on thread implementations from the operating system
887 viewpoint.  There are three basic categories of threads: user-mode threads,
888 kernel threads, and multiprocessor kernel threads.
889
890 User-mode threads are threads that live entirely within a program and
891 its libraries.  In this model, the OS knows nothing about threads.  As
892 far as it's concerned, your process is just a process.
893
894 This is the easiest way to implement threads, and the way most OSes
895 start.  The big disadvantage is that, since the OS knows nothing about
896 threads, if one thread blocks they all do.  Typical blocking activities
897 include most system calls, most I/O, and things like sleep().
898
899 Kernel threads are the next step in thread evolution.  The OS knows
900 about kernel threads, and makes allowances for them.  The main
901 difference between a kernel thread and a user-mode thread is
902 blocking.  With kernel threads, things that block a single thread don't
903 block other threads.  This is not the case with user-mode threads,
904 where the kernel blocks at the process level and not the thread level.
905
906 This is a big step forward, and can give a threaded program quite a
907 performance boost over non-threaded programs.  Threads that block
908 performing I/O, for example, won't block threads that are doing other
909 things.  Each process still has only one thread running at once,
910 though, regardless of how many CPUs a system might have.
911
912 Since kernel threading can interrupt a thread at any time, they will
913 uncover some of the implicit locking assumptions you may make in your
914 program.  For example, something as simple as C<$a = $a + 2> can behave
915 unpredictably with kernel threads if $a is visible to other
916 threads, as another thread may have changed $a between the time it
917 was fetched on the right hand side and the time the new value is
918 stored.
919
920 Multiprocessor kernel threads are the final step in thread
921 support.  With multiprocessor kernel threads on a machine with multiple
922 CPUs, the OS may schedule two or more threads to run simultaneously on
923 different CPUs.
924
925 This can give a serious performance boost to your threaded program,
926 since more than one thread will be executing at the same time.  As a
927 tradeoff, though, any of those nagging synchronization issues that
928 might not have shown with basic kernel threads will appear with a
929 vengeance.
930
931 In addition to the different levels of OS involvement in threads,
932 different OSes (and different thread implementations for a particular
933 OS) allocate CPU cycles to threads in different ways.
934
935 Cooperative multitasking systems have running threads give up control
936 if one of two things happen.  If a thread calls a yield function, it
937 gives up control.  It also gives up control if the thread does
938 something that would cause it to block, such as perform I/O.  In a
939 cooperative multitasking implementation, one thread can starve all the
940 others for CPU time if it so chooses.
941
942 Preemptive multitasking systems interrupt threads at regular intervals
943 while the system decides which thread should run next.  In a preemptive
944 multitasking system, one thread usually won't monopolize the CPU.
945
946 On some systems, there can be cooperative and preemptive threads
947 running simultaneously. (Threads running with realtime priorities
948 often behave cooperatively, for example, while threads running at
949 normal priorities behave preemptively.)
950
951 Most modern operating systems support preemptive multitasking nowadays.
952
953 =head1 Performance considerations
954
955 The main thing to bear in mind when comparing ithreads to other threading
956 models is the fact that for each new thread created, a complete copy of
957 all the variables and data of the parent thread has to be taken. Thus
958 thread creation can be quite expensive, both in terms of memory usage and
959 time spent in creation. The ideal way to reduce these costs is to have a
960 relatively short number of long-lived threads, all created fairly early
961 on -  before the base thread has accumulated too much data. Of course, this
962 may not always be possible, so compromises have to be made. However, after
963 a thread has been created, its performance and extra memory usage should
964 be little different than ordinary code.
965
966 Also note that under the current implementation, shared variables
967 use a little more memory and are a little slower than ordinary variables.
968
969 =head1 Process-scope Changes
970
971 Note that while threads themselves are separate execution threads and
972 Perl data is thread-private unless explicitly shared, the threads can
973 affect process-scope state, affecting all the threads.
974
975 The most common example of this is changing the current working
976 directory using chdir().  One thread calls chdir(), and the working
977 directory of all the threads changes.
978
979 Even more drastic example of a process-scope change is chroot():
980 the root directory of all the threads changes, and no thread can
981 undo it (as opposed to chdir()).
982
983 Further examples of process-scope changes include umask() and
984 changing uids/gids.
985
986 Thinking of mixing fork() and threads?  Please lie down and wait
987 until the feeling passes.  Be aware that the semantics of fork() vary
988 between platforms.  For example, some UNIX systems copy all the current
989 threads into the child process, while others only copy the thread that
990 called fork(). You have been warned!
991
992 Similarly, mixing signals and threads should not be attempted.
993 Implementations are platform-dependent, and even the POSIX
994 semantics may not be what you expect (and Perl doesn't even
995 give you the full POSIX API).
996
997 =head1 Thread-Safety of System Libraries
998
999 Whether various library calls are thread-safe is outside the control
1000 of Perl.  Calls often suffering from not being thread-safe include:
1001 localtime(), gmtime(), get{gr,host,net,proto,serv,pw}*(), readdir(),
1002 rand(), and srand() -- in general, calls that depend on some global
1003 external state.
1004
1005 If the system Perl is compiled in has thread-safe variants of such
1006 calls, they will be used.  Beyond that, Perl is at the mercy of
1007 the thread-safety or -unsafety of the calls.  Please consult your
1008 C library call documentation.
1009
1010 On some platforms the thread-safe library interfaces may fail if the
1011 result buffer is too small (for example the user group databases may
1012 be rather large, and the reentrant interfaces may have to carry around
1013 a full snapshot of those databases).  Perl will start with a small
1014 buffer, but keep retrying and growing the result buffer
1015 until the result fits.  If this limitless growing sounds bad for
1016 security or memory consumption reasons you can recompile Perl with
1017 PERL_REENTRANT_MAXSIZE defined to the maximum number of bytes you will
1018 allow.
1019
1020 =head1 Conclusion
1021
1022 A complete thread tutorial could fill a book (and has, many times),
1023 but with what we've covered in this introduction, you should be well
1024 on your way to becoming a threaded Perl expert.
1025
1026 =head1 Bibliography
1027
1028 Here's a short bibliography courtesy of Jürgen Christoffel:
1029
1030 =head2 Introductory Texts
1031
1032 Birrell, Andrew D. An Introduction to Programming with
1033 Threads. Digital Equipment Corporation, 1989, DEC-SRC Research Report
1034 #35 online as
1035 http://gatekeeper.dec.com/pub/DEC/SRC/research-reports/abstracts/src-rr-035.html
1036 (highly recommended)
1037
1038 Robbins, Kay. A., and Steven Robbins. Practical Unix Programming: A
1039 Guide to Concurrency, Communication, and
1040 Multithreading. Prentice-Hall, 1996.
1041
1042 Lewis, Bill, and Daniel J. Berg. Multithreaded Programming with
1043 Pthreads. Prentice Hall, 1997, ISBN 0-13-443698-9 (a well-written
1044 introduction to threads).
1045
1046 Nelson, Greg (editor). Systems Programming with Modula-3.  Prentice
1047 Hall, 1991, ISBN 0-13-590464-1.
1048
1049 Nichols, Bradford, Dick Buttlar, and Jacqueline Proulx Farrell.
1050 Pthreads Programming. O'Reilly & Associates, 1996, ISBN 156592-115-1
1051 (covers POSIX threads).
1052
1053 =head2 OS-Related References
1054
1055 Boykin, Joseph, David Kirschen, Alan Langerman, and Susan
1056 LoVerso. Programming under Mach. Addison-Wesley, 1994, ISBN
1057 0-201-52739-1.
1058
1059 Tanenbaum, Andrew S. Distributed Operating Systems. Prentice Hall,
1060 1995, ISBN 0-13-219908-4 (great textbook).
1061
1062 Silberschatz, Abraham, and Peter B. Galvin. Operating System Concepts,
1063 4th ed. Addison-Wesley, 1995, ISBN 0-201-59292-4
1064
1065 =head2 Other References
1066
1067 Arnold, Ken and James Gosling. The Java Programming Language, 2nd
1068 ed. Addison-Wesley, 1998, ISBN 0-201-31006-6.
1069
1070 comp.programming.threads FAQ,
1071 L<http://www.serpentine.com/~bos/threads-faq/>
1072
1073 Le Sergent, T. and B. Berthomieu. "Incremental MultiThreaded Garbage
1074 Collection on Virtually Shared Memory Architectures" in Memory
1075 Management: Proc. of the International Workshop IWMM 92, St. Malo,
1076 France, September 1992, Yves Bekkers and Jacques Cohen, eds. Springer,
1077 1992, ISBN 3540-55940-X (real-life thread applications).
1078
1079 Artur Bergman, "Where Wizards Fear To Tread", June 11, 2002,
1080 L<http://www.perl.com/pub/a/2002/06/11/threads.html>
1081
1082 =head1 Acknowledgements
1083
1084 Thanks (in no particular order) to Chaim Frenkel, Steve Fink, Gurusamy
1085 Sarathy, Ilya Zakharevich, Benjamin Sugars, Jürgen Christoffel, Joshua
1086 Pritikin, and Alan Burlison, for their help in reality-checking and
1087 polishing this article.  Big thanks to Tom Christiansen for his rewrite
1088 of the prime number generator.
1089
1090 =head1 AUTHOR
1091
1092 Dan Sugalski E<lt>dan@sidhe.org<gt>
1093
1094 Slightly modified by Arthur Bergman to fit the new thread model/module.
1095
1096 Reworked slightly by Jörg Walter E<lt>jwalt@cpan.org<gt> to be more concise
1097 about thread-safety of perl code.
1098
1099 Rearranged slightly by Elizabeth Mattijsen E<lt>liz@dijkmat.nl<gt> to put
1100 less emphasis on yield().
1101
1102 =head1 Copyrights
1103
1104 The original version of this article originally appeared in The Perl
1105 Journal #10, and is copyright 1998 The Perl Journal. It appears courtesy
1106 of Jon Orwant and The Perl Journal.  This document may be distributed
1107 under the same terms as Perl itself.
1108
1109 For more information please see L<threads> and L<threads::shared>.