Gerncias de Processos: Threads

Sistemas Operacionais I

Prof. Daniel Gondim: http://sites.google.com/site/danielgondimm

Universidade Estadual da Paraba

Objetivos

Introduzir a noo de thread, uma unidade

fundamental de utilizao de CPU e que

representa a base da maioria dos sistemas

computacionais modernos

Questes relacionadas a criao de threads

Introduo

O que uma Thread?

Unidade bsica de utilizao da CPU.

Compreende:

Thread ID;

Contador de Programa;

Conjunto de Registradores;

Pilha

Compartilham com outras threads num mesmo processo:

Seo de cdigo;

Seo de dados;

Arquivos

Processo com thread nico e com

mltiplos threads

Exemplo

Problema Cliente-Servidor:

Centenas de clientes...

Exemplo

Qual seria a soluo?

Criar um processo para cada cliente!?

E o custo? E o uso de memria?

Soluo ALTAMENTE custosa!!!

Criar uma thread pra cada cliente!?

Bem menos custoso

Mais atraente

Soluo mais rentvel

Exemplo

Soluo:

Centenas threads

Benefcios

Responsividade

Programa continua rodando mesmo que parte

dele esteja executando uma operao lenta

Multithread browser:

Permite interao em uma thread enquanto carrega

uma imagem em outra thread

Compartilhamento de recursos

Compartilham memria e recursos do processo

Vrias threads em um mesmo espao de

memria

Benefcios

Economia

Mais rpido criar threads do que processos

Solaris: criar um processo demora 30x mais

Mais rpido mudar contexto de threads

Solaris: mudar contexto de processos demora 5x mais

Escalabilidade

Threads executam paralelamente em cada

processo

Programao com mltiplos ncleos

Sistemas com mltiplos ncleos pressionam

os programadores

Os desafios incluem

Particionamento das atividades

Balano

Particionamento dos dados

Dependncia dos dados

Teste e depurao

Arquitetura de um servidor multi-threaded

Execuo concorrente em um sistema

de ncleo nico

Execuo paralela em um sistema com mltiplos

ncleos

Threads do usurio

Gerencia de threads feita por bibliotecas

carregadas no nvel do usurio

Trs principais bibliotecas de threads:

POSIX Pthreads

Win32 threads

Java threads

Threads do Ncleo

Gerenciadas pelo prprio sistema operacional

Exemplos

Windows XP/2000

Solaris

Linux

Tru64 UNIX

Mac OS X

Threads do Ncleo

E se ocorrer uma chamada de sistema?

Estou executando uma thread do usurio, mas

ela quer acessar informaes do modo kernel

Modelos de Multi-threading

Muitos-para-um

Um-para-um

Muitos-para-muitos

Modelos de Multi-threading

Antes de mais nada, vamos aprender o que

uma blocking system call...

For a blocking system call, the caller can't do

anything until the system call returns

Basicamente:

Uma chamada de sistema que interrompe o

processamento, at que a chamada retorne

Muitos-para-um

Muitas threads do usurio

mapeadas para uma

nica thread do ncleo

Mltiplas threads

incapazes de rodarem em

paralelo (apenas uma

acessa o kernel)

Exemplos:

Solaris Green Threads

GNU Portable Threads

Um-para-um

Cada thread do usurio mapeada para uma thread do ncleo

Possibilita mltiplas threads rodarem em paralelo. O ponto negativo: a criao de vrias threads de

kernel compromete a performance da aplicao Exemplos

Windows NT/XP/2000 Linux Solaris 9 e posterior

Muitos-para-muitos

Permite que muitas threads do usurio sejam mapeadas em muitas threads do ncleo

Exemplos

Solaris antes da verso 9

Windows NT/2000 como o pacote ThreadFiber

Modelo em dois nveis

Similar ao M:M porm tambm permite que uma thread do usurio seja associada a uma thread do ncleo

Exemplos

IRIX

HP-UX

Tru64 UNIX

Solaris 8 e anteriores

Bibliotecas de threads

Bibliotecas de threads oferecem uma API para

criao e manipulao de threads

Duas formas primrias de implementao

Biblioteca localizada inteiramente no espao do

usurio

Biblioteca localizada no ncleo com suporte do

SO

Pthreads

Pode ser fornecida tanto no nvel do usurio

quanto no ncleo

API padro POSIX (IEEE 1003.1c) para

criao e sincronizao de threads

A API especifica unicamente o comportamento

da biblioteca, a implementao fica a cargo

dos desenvolvedores

Comum em sistemas operacionais UNIX

(Solaris, Linux, Mac OS X)

Win32 Threads

Similares s Pthreads

Nvel do ncleo (kernel)

Java Threads

Threads em Java so gerenciados pela JVM

Tipicamente implementados de acordo com o

modelo de threads do sistema operacional

hospedeiro

Threads em Java podem ser criados

Estendendo a classe Thread

Implementando a interface Runnable

public interface Runnable

{

public abstract void run();

}

Java Threads

Ao criar um objeto Thread no se cria uma

nova Thread:

o mtodo start() que na verdade cria uma nova

thread

Ao chamar o mtodo start():

1. Aloca espao e inicializa uma nova thread na

JVM;

2. Invoca o mtodo run(), fazendo com a thread se

torne elegvel para ser rodada pela JVM.

Questes relacionadas a criao de

threads

As chamadas de sistema fork() e exec()

Cancelamento de threads

Assncrono versus adiado

Manipulao de sinais

Pools de Thread

Dados especficos de threads

Ativaes do escalonador

As chamadas de sistema fork() e exec()

O fork() duplica apenas a thread que invocou

a chamada ou todos as threads do processo?

Se um exec() chamado logo aps o fork(),

desnecessrio duplicar todas as threads, uma

vez que o processo ser substitudo

Caso contrrio, deve-se duplicar todas as threads

O que acontece com o exec()?

Tipicamente o mesmo funcionamento

apresentado na aula passada

Pode substituir todo o processo (incluindo as

threads)

Cancelamento de threads

Cancelar uma thread antes de sua

concluso

Duas abordagens

Cancelamento assncrono: termina a

thread alvo imediatamente

Browser

Cancelamento adiado: permite que a

thread alvo verifique periodicamente se

ela deve ser cancelada

Pesquisa numa base de dados

Manipulao de sinais

Sinais so utilizados no UNIX para notificar um processo de que um determinado evento ocorreu

Todos os sinais seguem o mesmo padro So gerados por um evento particular So entregues a um processo So manipulados pelo processo

Sinais sncronos (do prprio processo) e assncronos (processos externos)

Opes: Entregar o sinal para a thread a qual ele se aplica Entregar o sinal para todas as threads do processo Entregar o sinal para certas threads do processo Escolher uma thread especfica para receber todos os sinais do

processo

Pools de threads

Cria um nmero de threads em um pool onde

elas aguardam por trabalho

Vantagens:

Geralmente um pouco mais rpido requisitar

uma thread j existente do que criar uma nova

thread

Permite que o nmero de threads na(s)

aplicao(es) seja limitado ao tamanho do pool.

Importante para sistemas que no suportam um

grande nmero de threads concorrentes

tima soluo do Cliente-Servidor!

Dados especficos de threads

Permite que cada thread tenha sua prpria

cpia dos dados

til quando no se tem controle sobre o

processo de criao de threads (ex., quando

se usa um thread pool)

Ativaes do escalonador

Tanto o modelo M:M quanto o de dois nveis utilizam uma estrutura de dados intermediria (LWP) entre as threads do ncleo e do usurio

O LWP funciona como um processador virtual para a aplicao no qual a aplicao pode agendar a execuo de uma thread

O ncleo, em seguida, atribui uma de suas threads para executar a thread do usurio associada a um LWP

Ativaes do escalonador

Para esse esquema funcionar, o ncleo

precisa notificar a aplicao sobre certos

eventos de escalonamento de threads

Essa notificao feita atravs de um

procedimento chamado upcall. Esse

esquema de comunicao conhecido como

ativao do escalonador

Dvidas