pthreadについて色々関数のキャストなど、引数の渡し方が理解できません。

Question

以下のスレッドを用いて配列a[]の合計値を求めるプログラムについて質問したいのですが

（１）pthread_createで実行させる関数はvoid *で宣言しなければいけないのでしょうか？　ポインタの部分は理解できますが、voidの理由が特に理解できないです。

（２）pthread_joinで受け取れる値の型はvoidである理由がよくわかりません。

（３）関数calcの引数もvoidの意味がわかりません。calc(arg_t *arg)ではなぜいけないのですか。

（４）sum += (int)(unsigned long)ret;などの2回キャストしているのはどういう意味になるのでしょうか。sumがint型なので(int)だけすればいいと思いました。

ご教示願います。

include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

typedef struct {
  int start;
  int end;
} arg_t;

int a[10] = {-1, 23, -34, 45, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
int sum = 0;

void *calc(void *arg) {
  int i, s= 0;
  arg_t * argp = (arg_t *)arg;
  for(i=argp->start;i<=argp->end; i++) {
    sum+=a[i];
  }
  return (void *)(unsigned long)s;
}

int main(void) {
  pthread_t thread;
  arg_t arg1, arg2;
  void *ret;

  arg1.start=0; arg1.end=4;
  pthread_create(&thread, NULL, calc, &arg1);

  arg2.start=5; arg2.end=9;
  sum += (int)(unsigned long)calc(&arg2);
  pthread_join(thread, &ret);
  sum += (int)(unsigned long)ret;
  printf("sum=%d\n", sum);
  return 0;
}

Answer 1

(1)の回答
全てのケースに対応できるように考慮されているからです。
今回のケースではcalcがユーザーにとって、起動してほしいスレッドの開始の関数になります。
今回のケースではcalcにとっては、
int calc(arg_t* arg)
で定義されることが、もっとも望ましい形です。
（構造体arg_t型へのポインターを引数にとり、int型の戻り値を返す）
ところが、これは、calcにとっての都合であり、すべてのケースに当てはまりません。
例えば、文字列を引数にとり、文字列中の最後の文字のポインターを返すfuncを想定します。
"dataXYZ"が渡されたとき、Zの文字の位置のポインターを返します。
この関数funcにとって、もっとも都合の良い定義は
char *func(char *str)
のような定義になります。

そうすると、関数のプロトタイプは、作る関数毎にまちまちの定義になります。そして、それらをすべて、成立させるためには、
void *xxx(void *arg)
の形にせざるを得ないのです。

(2)の回答
これも(1)と同様です。calcのreturn で返した値が、retに設定されます。
従って、calcに限って言えば、int型の変数retを用意しておけば、そこにcalcの結果が設定されます。
ただし、それは、calcに限っての話であり、(1)のfuncにとっては、ポインター型で返すので、
ポインター型の変数を用意しておく必要があります。
その為、どのような関数でも使用できるようにする為に、void *型 を使用します。

(3)の回答
(1)で回答済み

(4)の回答
６４ビットコンパイラの前提ですが、その場合の変数のサイズは以下のようになります。
int型　４バイト
long型　８バイト
ポインター型　８バイト
以下、その前提での話です。
calcが返す値は、実質的にはint型（４バイト）の整数です。
しかしながら、定義上は、void *型なので、ポインター型になり、８バイトのデータを返すことになります。
そのため、
①４バイト整数を８バイト整数に変換　(unsigned long)でキャスト
②８バイト整数をポインター型変換　　(void *)でキャスト
します。

calcからは、８バイトの整数をポインター型に変換したものが返ります。（実質的には４バイトの整数の部分）従って、８バイトのポインターを４バイトの整数にするためには、
③ポインター型を８バイトの整数に変換　（insignen long）でキャスト
④８バイトの整数を４バイトの整数に変換　（int）でキャスト

ここで、C言語の規約上
ポインター型を同じサイズの整数型に変換する場合（③の場合）、結果は処理系依存であり、
ポインター型を８バイト小さいサイズの整数型に変換する場合、結果は未定義であることが記述されています。
（https://kikakurui.com/x3/X3010-2003-01.htmlの型変換に関する記述を参照）
つまり、void* を　いきなりint型に変換した結果は規格上未定義になります。
たぶん、INTEL系のマシンでgccコンパイラを使用した場合は、上位の４バイトが無視され、
下位の４バイトがint型の変数に格納されるはずですが（これはあなたが想定した通りですが）
規格上は、未定義です。つまり、どのような結果になっても知りませんよ、ということです。
そのため、いきなりポインター型を８バイト小さいサイズの整数型に変換せずに、
ポインター型を８バイトの整数に変換し、そのあとで８バイトの整数を４バイトの整数に変換する方法をとったほうが、規格上は安全である。
ということになります。このようにしておくと、これらのコードを別の処理系に移植する際、予期しない結果に遭遇する確率を減らすことができます。
（ポインター型を整数型に変換すること自体が処理系依存の結果なので、100%予期した結果になることが保障されているわけではありませんが、
いきなりポインター型をint型に変換するよりははるかに安全です）

Comments

[apeirogon0813]

ありがとうございます。統一するために使われていたのですね。とても理解しやすかったです。

Answer 2

（１）、（２），（３）定義でそう決められてるんで、そういうもんとして覚えておきましょう
void*はC言語では汎用のポインタ型として使われてます。サイズが合えば、キャストにより他の型も利用できます
（４）コンパイラにより、ポインタ型と違うサイズの型に直接キャストするとエラーが出たりワーニングが出たりするんで、一旦同サイズの整数型にキャストしたあと、目的の型にキャストしてますね。
そこらへんは実際にそういうコードを書いてコンパイルしてみればわかるんじゃないかと。