Vl akna. PB 152 Operacn syst emy. Jan ÐStaudek Verze : jaro 2015

Vlakna

PB 152 Operacn systemy

Jan Staudek http://www. .muni.cz/usr/staudek/vyuka/

}

w A| y < 5 4 23 1 0 / -. , )+ ( %&' $ # !"

Æ

Verze : jaro 2015

Proces a vlakna

Proces, resp. take task { drzitel zdroju, vc. prostoru ve virtualn pameti pro uchovan obrazu procesu { jednotka planov an cl dynamickeho pridelovan procesoru pro beh procesu Vlakno Sekvencn dej de novatelny v procesu. Pro OS jednotka planov an , nikoli vlastnictv zdroju Vsechna vlakna de novana v procesu se r es soubez ne, multitasking. Jan Staudek, FI MU Brno

|

PB152 Operacn systemy { Vlakna

1

Koncept sekvencn ho procesu mu ze byt neefektivn

2

Textovy editor X c te z klavesnice prkazy k editaci X fomatuje text podle prkazu X z duvodu spolehlivosti se pozaduje periodicky koprovat editovany text

do diskoveho souboru

2

sen editoru c iste sekvencnm procesem Re X behem archivace bude ignorovat klavesnici a mys

dokud se archivace neukonc, X vykon editovan bude nzky 2

Naprogramovan do editoru obsluhy prerusen od mysi a klavesnice behem archivace X vykon se vyleps, program bude slozity Jan Staudek, FI MU Brno

|


2

sen Re editoru pomoc vlaken

sen problemu X Re tremi procesy problem neres,

vsechny tri procesy by musely pracovat s jedinym dokumentem Jan Staudek, FI MU Brno

|


3

Proces a vlakno

2

vlakno (thread) systemov y objekt, ktery se vytva r v ramci procesu je viditelny pouze uvnitr procesu je charakterizovan svym stavem (procesory se prideluj vlakn um) ,,klasicky process"{ proces s jednm vlaknem vlakno se nachaz ve stavech: bez , pripravene, ... kdyz vlakno nebez , kontext vlakna je ulozeny v TCB (Thread Control Block): { jeho provad ec zasobn k, obraz PC, obraz registru, ... X vlakno mu ze pristupovat k LAP a k ostatnm zdrojum sveho procesu X tyto zdroje sdlej vsechny vlakna jednoho procesu { jakmile 1 vlakno zmen obsah nektere bunky LAP, vsechny ostatn vlakna (teho z procesu) novy obsah vid { soubor otevreny jednm vlaknem vid vsechny ostatn vlakna (teho z procesu) X skupina vlaken jednoho procesu sdl promenne (LAP, prideleny FAP), otevrene soubory, . . . X X X X X X

Jan Staudek, FI MU Brno

|


4

Multitasking / multithreading


|


5

Vlakna vs. Procesy


|


6

Web server r esen y pomoc vlaken


|


7

Klient-server r esen y pomoc vlaken

2

Proces mu ze de novat vce aktivit proveditelnych soubez ne X Napr. server mu ze obsluhovat vce pozadavku klientu soubez ne


|


8

Pou zit vlaken

2

Univerzaln nastroj pro vsechny aplikace X od interaktivnho kreslen po hry X napr. behem c ten klavesnice jednm vlaknem jine vlakno vykresluje

obrazek

2

Efektivn vyuzit multiprocesorovych poctacu X moznost skutecne paralelnho behu vlaken na ruzn ych procesorech X msto multitaskingu sdlejcho jediny procesor

2

Prednosti X X X X

Vlakno se vytvor rychleji nez proces Vlakno se ukonc rychleji nez proces Mezi vlakny se rychleji prepna nez mezi procesy Dosahne se leps strukturalizace programu Jan Staudek, FI MU Brno

|


9

P r nosy pou zit vlaken, p r klady aplikac

2

proc se zavad vlakna v ramci procesu, prklady prnosu X X X X X

2

menu vypisovane soubez ne se zpracovan m periodicky provad en automaticke kopie souboru prekreslovan obrazovky soubez ne se zpracovan m dat paralelizace algoritmu v multiprocesoru dosazen leps strukturalizace programu

Prklady

X Souborovy server LAN

X X X X

{ mus vyrizovat behem kratk e doby nekolik pozadavku na soubory { pro vyrzen kazdeho pozadavku se zrd samostatne vlakno Symetricky multiprocesor { na ruzn ych procesorech mu ze bez et vce vlaken soucasne jedno vlakno zobrazuje menu a c te vstup od uzivatele a soucasne jine vlakno provad prkazy uzivatele periodicke provad en automaticke kopie souboru prekreslovan obrazovky soubez ne se zpracovan m Jan Staudek, FI MU Brno

|


10

Co se zska pou zitm vlaken

2

schopnost lepe reagovat na r eseny problem X multivlaknov a interaktivn aplikace mu ze stale bez et,

i kdyz jej c ast je blokovana / se dlouho r es / . . . X interakce s prohlz ecem v jednom vlaknu prohlz ece, zavad en obrazku jinym vlaknem 2

snazs sdlen zdroju X aplikace, ktere se lis pouze nekolika odlisnymi aktivitami

r esenymi samostatne vlakny, mohou sdlet stejny adresovy prostor, hlavn program, . . .


|


11

Co se zska pou zitm vlaken

2

snz en systemov e rezie X prepnan kontextu mezi vlakny je jednoduss nez prepnan kontextu

mezi procesy X napr. Solaris { vytvoren procesu je 30x pomalejs nez vytvoren vlakna { prepnan kontextu mezi procesy je 5x pomalejs nez mezi vlakny 2

u cinnejs vyuzit multiprocesorovych architektur X soubez nost r esen vlaken mu ze nabyt formy paralelismu


|


12

P r klad pou zit vlaken: RPC,

2 2

Remote Procedure Call

Program provad dve RPC ke 2 ruzn ym serverum a pocta vysledek z obou hodnot Implementace pomoc 1-vlaknov eho procesu


|


13

P r klad pou zit vlaken: RPC,

2 2

Remote Procedure Call

Program provad dve RPC ke 2 ruzn ym serverum a pocta vysledek z obou hodnot Implementace pomoc vce-vlaknov eho procesu na monoprocesoru { 1 vlakno na 1 server


|


14

Problem konzistence mezi vlakny

2 2 2 2

Mejme aplikaci ktera sestav a z vce nezavisl ych c ast C asti nemus bez et v sekvenci Kazda c ast se implementuje jako vlakno Vlastnosti takove implementace X Kdyz vlakno c eka konec I/O operace, mu ze bez et jine vlakno

teho z procesu, aniz by se prepojovalo mezi procesy X vlakna jednoho procesu sdl pamet' a soubory a tudz mohou mezi sebou komunikovat, aniz by k tomu potrebovaly sluzby jadra X vlakna jedne aplikace se proto mus mezi sebou synchronizovat, aby se zachovala konzistentnost zpracovavan ych dat


|


15

P r klad problemu zachovan konzistence dat

2

Scen a r X v procesu jsou vytvorena vlakna T1 a T2 X T 1 pocta C = A + B , T 2 prena s hodnotu X z A do B : A = A − X; B = B + X X T 1 a T 2 bez soubez ne, nevme jak rychle kazde z nich

2

Formaln predstava o chovan systemu vlaken T1 a T2 X T 2 udela A = A − X a B = B + X X T 1 pocta C = A + B , hodnota C se tudz proveden T 2 nezmen

2

Mozna realita X T 2 udela A = A − X X T 1 spocta C = A + B = A − X + B X T 2 udela B = B + X , coz C uz neovlivn Jan Staudek, FI MU Brno

|


16

Stavy vlaken

2

tri klc ove stavy X bez X pripravene X c ekajc

2

vsechny vlakna jednoho procesu sdlej stejny adresovy prostor X vlakna se samostatne neodkladaj

2

ukoncen procesu ukoncuje vsechny vlakna existujc v ramci tohoto procesu


|


17

Typy vlaken

2 User-Level Threads

(ULT)

X jadro OS podporuje procesy X vlakna podporuje vlaknov a knihovna sestavovana do programu

uzivatele

2 Kernel-Level Threads

(KLT)

X podporuje je prmo jadro OS X take lightweight processes nebo kernel-supported threads


|


18

Vlakna na u zivatelske urovni, ULT

2 User-Level Threads 2

(ULT)

vlastnosti X Sprava vlaken se provad prostrednictvm vlaknov e knihovny (thread library) na urovni uzivatelskeho / aplikacnho procesu, X jadro o jejich existenci nev X Prepojovan mezi vlakny nepozaduje provad en funkc jadra X neprepna se ani kontext procesu ani rezim procesoru X Planov an prepnan vlaken je speci cke pro konkretn aplikaci X aplikace si vol pro sebe nejvhodnejs algoritmus

2

prklady X POSIX { Pthreads X Mach { C-threads X Solaris { threads Jan Staudek, FI MU Brno

|


19



|


20

Vztahy mezi ULT vlakny a stavy procesu


|


21


2

vlaknov a knihovna obsahuje funkce pro X X X X

2

vytva ren a rusen vlaken predav an zprav a dat mezi vlakny planov an behu vlaken uchovav an a obnova kontextu vlaken

Co dela jadro pro vlakna na uzivatelske urovni X Jadro nev o aktivite vlaken, manipuluje pouze s procesy X Kdyz nektere vlakno zavola sluzbu jadra a c eka dokud se sluzba nespln

je blokovan cely proces, viz predchoz bod X Stavy vlaken jsou na stavech procesu nezavisl e pro vlaknovou knihovnu mu ze vlakno byt stale ve stavu ,,bez c" i kdyz je proces vracen y mezi ,,pripravene"procesy


|


22


2

Prednosti X Prepojovan mezi vlakny nepozaduje provad en jadra X neprepna se ani kontext ani rezim procesoru X Planov an je speci cke pro konkretn aplikaci

{ vol si pro sebe nejvhodnejs algoritmus { ULT mohou bez et pod kterymkoliv OS { ULT potrebuj pouze adekvatn vlaknovou knihovnu

2

Nedostatky X X X X

Vetsina volan sluzeb zpusobuje blokovan procesu Jadro blokuje procesy a ne vlakna Takze z adn e vlakno existujc v ramci procesu nemu ze bez et Jadro mu ze pridelovat procesor pouze procesum, takze dve vlakna jednoho procesu nemohou bez et paralelne, i kdyz proces bez v multiprocesoru Jan Staudek, FI MU Brno

|


23

Vlakna na urovni jadra, KLT

2 Kernel-Level Threads 2

vlastnosti X X X X X X

2

(KLT)

Celou spravu vlaken podporuje jadro, vlaknov a knihovna se nepouzva pouzva se API na vlaknov e sluzby jadra Informaci o kontextu procesu a vlaken udrzuje jadro Prepojovan mezi vlakny aktivuje jadro Planov an se r es na bazi vlaken

prklady X X X X

OS/2 Windows 95/98/NT/2000/XP Solaris, Tru64 UNIX, Linux Mac OS X Jan Staudek, FI MU Brno

|


24



|


25


2

Prednosti X jadro mu ze soucasne planovat beh vce vlaken stejneho procesu

na vce procesorech X k blokovan dochaz na urovni vlaken X i programy jadra mohou mt multi{vlaknov y charakter 2

Nedostatky X prepojovan mezi vlakny teho z procesu zprostredkovav a jadro X pri prepnut vlakna se 2x se prepna rezim procesoru X vysledkem je zpomalen, snz en dostupneho aplikacnho vykonu


|


26

Kombinace ULT/KLT

2 2 2 2

vlakna se vytva rej v uzivatelskem prostoru programator mu ze nastavit pocet vlaken na urovni jadra lze kombinovat prnosy obou prstupu podporuje Solaris


|


27

Kombinace ULT/KLT


|


28

Multivlaknov e modely

2

1:1 X Kazdy ULT se zobrazuje do jednoho KLT X tradicn Unixy verze

2

n:1 X Vce ULT se zobrazuje do jednoho KLT X pouzva se na systemech, ktere nepodporuj KLT X Windows 95/98/NT/2000/XP, Linux, Solaris 9 a vyss verze.

Solaris Green Threads, GNU Portable Threads

2

n:m X X X X

vce ULT se mu ze zobrazovat do vce KLT OS mu ze vytvorit dostatecny pocet KLT Solaris do verze 9, Windows NT/2000 with the ThreadFiber package two-level model { model n : m s moznost vazat konkretn ULT na konkretn KLT (IRIX, HP=UX, True64 Unix) Jan Staudek, FI MU Brno

|


29

Multivlaknov e modely


|


30

Vlakna v systemu Solaris

2 OS nevid ULT 2 OS prideluje procesor KLT 2 Lightweight process (LWP) X rozhran pro paralelismus pro aplikace X kazdy LWP podporuje 1 nebo vce ULT a zobrazuje je do jednoho KLT Jan Staudek, FI MU Brno

|


31

Proces ve Windows a jeho zdroje

2 2 2 2 2

Jsou implementovane jako objekty Proces lze vytvorit jako novy proces nebo jako kopii existujcho procesu V procesu lze de novat jedno nebo vce vlaken Procesy i vlakna maj vestavene synchronizacn vlastnosti Proces X je de novany jistym poctem akc /sluzeb, ktere mu ze vykonavat X provad sluzbu,

kdyz je volany nekterou z publikovanych metod rozhran X vznika jako novy proces generovan m instance objektu ze s ablony X vlastnostem objektu se prirad hodnoty pri generovan objektu


|


32

Vztah procesu a zdroju ve Windows


|


33

Vlastnosti objektu proces ve Windows


|


34

Vlastnosti objektu vlakno ve Windows


|


35

Stavy vlakna ve Windows


|


36

Windows 7 Architecture, vlakna a SMP

2 2 2 2 2 2

vlakna vsech procesu vc. systemov ych (Executive) mohou bez et na kteremkoliv dostupnem procesoru vlakna mohou bez et paralelne vlakna jednoho procesu mohou bez et paralelne na ruzn ych procesorech v ramci jednoho procesu server mu ze pouzt vce vlaken pro soucasnou obsluhu vce klientu soucasne data a zdroje mohou procesy sdlet procesy mohou mezi sebou komunikovat


|


37

Vlakna Java, p r klad


|


38

Vlakna Java, p r klad


|


39

Vlakna Java

2

vlakna jsou fundamentaln m model r esen javovskeho programu

X jak implementovat JVM do hostitelskeho OS z adn y standard neres

{ napr. XP: model 1:1 X vlaknov a knihovna Java byv a mapovana na vlaknovou knihovnu hostitelskeho OS { JVM ve XP: na API Win32 { JVM v Linux/Solaris: na API Pthreads Jan Staudek, FI MU Brno

|


40

Poznamky k praci s vlakny

2

semantika fork() a exec() X fork duplikuje proces v jednovlaknov em procesu X ma duplikovat cely proces nebo jenom vlakno, ktere fork vyvolalo ?

2

jak ukoncit beh (cloveho) vlakna, ktery dosud neskoncil ? X asynchronn zrusen { jedno vlakno bezprostredne ukonc clove vlakno X odlozene zrusen { clove vlakno se periodicky dotazuje, zda ma skoncit

Oznamen prerusen cloveho vlakna


|


41


X odlozene zrusen { kontrolovan stavu ,,prerusen"


|


42


2

zvlad an signal u X signal { Unixovska softwarova noti kace procesu, z e se stala

(oznamovana) udalost X signaly spravuje spravce signal u X signal se procesu dopravuje operacnm systemem (programove) X volby: { ma se signal dorucit 1 konkretn mu vlaknu v clovem procesu? { ma se signal dorucit vsem vlakn um v clovem procesu? { ma se signal dorucit jen jistym vlakn um v clovem procesu? { ma jedno vlakno spravovat vsechny signaly dorucene procesu ?


|


43


2

prace s bankem vlaken (Thread Pool)

X bank vlaken { skupina vlaken pripravenych na spusten X pri z adosti o nasobnou obsluhu serverem se nemus generovat

nove vlakno X neomezene generovan novych vlaken by mohlo vycerpat dostupne zdroje X pripravene vlakno se rychleji spust nez vytva rene vlakno X tri javovske architektury banku vlaken: 1. Single thread executor { bank o rozmeru 1 2. Fixed thread executor { bank o rozmeru > 1 3. Cached thread pool - bank neomezeneho rozsahu 2

prace s vlastnmi daty vlakna (Thread Specific Data) X vlakno mu ze mt vlastn kopii dat,

nesdlenou s ostatnmi vlakny procesu X napr. pri pouzvan banku vlaken Jan Staudek, FI MU Brno

|


44

P r klady vlaknov ych knihoven

2

Pthreads X standard API, IEEE 1003.1c, pro vytva ren a synchronicazi vlaken X API urcuje chovan , implementaci standard nepredpisuje X pouzvaj unixove orientovane systemy (Solaris, Linux, Mac OS X)

2

Windows XP Threads X implementuje mapovan 1:1 X kazde vlakno sestav a z:

id vlakna, sestava registru, samostatny uzivatelsky zasobn k a zasobn k jadra a privatn pamet'ova oblast { kontext vlakna 2

vlakna v Linuxu X Linux pouzva pojem tasks msto threads (vlakno) X vlakno se vytva r volan m systemu clone() X vlakno je potomek a sdl s rodicovskym procesem adresovy prostor Jan Staudek, FI MU Brno

|


45

Vl akna. PB 152 Operacn syst emy. Jan ÐStaudek Verze : jaro 2015

Recommend Documents