Post on 15-Jul-2020
Threads
Eduardo Ferreira dos Santos
Ciência da Computação
Centro Universitário de Brasília � UniCEUB
Março, 2017
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Sumário
1 Multiprogramação
2 Escalonamento
3 Threads
4 Concorrência
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Multiprogramação
1 Multiprogramação
2 Escalonamento
3 Threads
4 Concorrência
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Multiprogramação
Computadores modernos
Em computadores modernos, algumas características dos processos:
Várias tarefas ao mesmo tempo;Cada instante um programa;Cada segundo vários programas;pseudoparalelismo.
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Multiprogramação
Multiprogramação
Figura 1.1: (a) Multiprogramação para quatro programas (b) Modelo conceitualde quatro processos sequenciais independentes (c) Somente um programa estáativo a cada momento [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Multiprogramação
Estados dos processos
Durante o ciclo de vida de um processo ele passa por diferentes estados.Em sistemas Unix [Guarezi and Silva, 2010] são:
run Está sendo executado no processador;
ready ou executável Dispõe de todos os recursos que precisa e está prontopara ser executado;
sleep ou dormente Bloqueado à espera de algum recurso, e só pode serdesbloqueado se receber um sinal de outro processo;
zumbi Caso cada vez mais raro, onde um processo é criado por umprograma, que por sua vez é �nalizado antes de receber oresultado do processo;
parado Recebeu ordem do administrador para interromper aexecução. Será reiniciado se receber um sinal de continuação(CONT).
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Multiprogramação
Estados dos processos (Grá�co)
Figura 1.2: Estados dos processos [Chagas, 2016]
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Multiprogramação
Concorrência
Paradigma: controlar/restringir o acesso ao recurso em determinadoespaço de tempo;
O controle de acesso aos recursos é realizado através de eventos;
Eventos inesperados pode causar um desvio inesperado no �uxo deexecução.
De�nição [Chagas, 2016]:1 O programa perde o uso do processador;2 O programa retorna para continuar o processamento;3 O estado do programa deve ser idêntico ao do momento em que foi
interrompido.
O programa continua a execução exatemente na instrução seguinte.
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Multiprogramação
Troca de Contexto
Figura 1.3: Troca de Contexto [FARINES and MELO, 2000]
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Multiprogramação
Programação concorrente
Na programação concorrente existe mais de uma tarefa sendoexecutada ao mesmo tempo. Ex.: Fatorial
No caso de múltiplas tarefas é necessário haver comunicação entreelas.
Memória compartilhada As tarefas compartilham área de memória;
Troca de mensagens Sinais trocados entre processos.
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Escalonamento
1 Multiprogramação
2 Escalonamento
3 Threads
4 Concorrência
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Escalonamento
Conceitos
Objetivo: maximizar a utilização de CPU em programaçãoconcorrente;
O escalonador é o mecanismo que seleciona um dos processosdisponíveis na �la de pronto para ir à execução;
Troca de contexto entre os processos;
Organização da �la de prioridades.
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Escalonamento
Conceito de escalonador
Figura 2.1: O nível mais baixo de um sistema operacional estruturado emprocessos controla interrupções e escalonamento. Acima desse nível estãoprocessos sequenciais. [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Escalonamento
Escalonamento
Figura 2.2: Descrição do escalonamento [Chagas, 2016]14 / 43
Escalonamento
Troca de contexto
Figura 2.3: Organização da �la de pronto [Galvin et al., 2013]
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Escalonamento
Escalonadores
Short-term scheduler Seleciona os processos que vão para a CPU
Algumas vezes o único escalonador disponível;Bastante utilizado, ou seja, precisa ser rápido.
Long-term scheduler Seleciona os processos que devem ir à �la de pronto
Não é tão utilizado (menos frequente);Controla o grau de multiprogramação.
Os processos podem ser descritos como:
I/O-bound Gasta mais tempo realizando operações de I/O do quecomputações;
CPU-bound Mais tempo realizando computações.
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Threads
1 Multiprogramação
2 Escalonamento
3 Threads
4 Concorrência
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Threads
De�nições
Threads são processos que compartilham espaço de endereçamento edados;
São criados e destruídos de forma mais rápida (até 100x)[Tanenbaum and Machado Filho, 1995];
Permitem que atividades se sobreponham se houver muita E/S;
Muito úteis em sistemas com múltiplas CPU's;
Processos sequencias e implementação de paralelismo;
IMPORTANTE: não representam a única solução para o problemada concorrência.
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Threads
Exemplo 1
Figura 3.1: Processador de textos com três threads.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Exemplo 2
Figura 3.2: Software servidor Web multithread.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Implementação
Figura 3.3: Uma implementação da Figura 20 do Exemplo 2. (a) Threaddespachante (b) Thread operária [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Processos x Threads
Três formas diferentes de construir um servidor[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]:
Threads Paralelismo, chamadas de sistema bloqueantes;
Monothread Não paralelismo, chamadas de sistema bloqueantes;
Máquina de estados Paralelismo, chamadas não bloqueantes, interrupções
Mais observações sobre o tema no artigo �O paradigma c10k�1
1Disponível em http://www.eduardosan.com/2009/07/30/o-paradigma-c10k/22 / 43
Threads
Modelo de thread
Modelo cla±sico de threads: multithread x monothread;
Threads distintos em um processo não são tão independentes quantoprocessos distintos;
Não há proteção entre threads:
Impossível;Não é necessário;Devem cooperar e não competir.
Cada thread tem sua pilha que armazena rotinas chamadas que aindanão retornaram.
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Threads
Single and multiple threads
Figura 3.4: (a) Três processos, cada um com uma thread (b) Um processo comtrês threads [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Threads clássicas
Figura 3.5: A primeira coluna lista alguns itens compartilhados por todas asthreads em um processo. A segunda lista alguns itens especí�cos a cada thread.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Pilhas
Figura 3.6: Cada thread tem sua própria pilha.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Threads POSIX
Pthreads = Padrão de threads de�nidos pelo padrão IEEE 1003.1c
Figura 3.7: Chamadas de pthreads. [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]
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Threads
Exemplo de pthreads
Figura 3.8: Exemplo de programa usando pthreds.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 28 / 43
Concorrência
1 Multiprogramação
2 Escalonamento
3 Threads
4 Concorrência
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Concorrência
Conceitos
Na programação concorrente existe mais de uma tarefa sendoexecutado ao mesmo tempo. Ex.: Fatorial
No caso de múltiplas tarefas é necessário haver comunicação entreelas.
Memória compartilhada As tarefas compartilham área de memória;
Troca de mensagens Sinais trocados entre processos.
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Concorrência
Comunicação entre processos
Gerência de recursos de memória compartilhada: condição de corrida
Exclusão mútua;Semáforo;Monitor.
Comunicação por troca de mensagens: deadlocks
Leitura assíncrona;Método rendezvous.
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Concorrência
Condição de corrida
Situações onde dois ou mais processos estão acessando dados
compartilhados, e o resultado �nal do processamento depende de
quem roda quando.
Figura 4.1: Exemplo da condição de corrida
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Concorrência
Solução para condição de corrida
Uma boa solução para a condição de corrida requer quatro condições[Favacho, 2009]:
1 Dois ou mais processos não podem estar simultaneamente dentro desuas regiões críticas correspondentes;
2 Nenhuma consideração pode ser feita a respeito da velocidade relativados processos, ou a respeito do número de processadores disponíveis nosistema;
3 Nenhum processo que esteja executando fora de sua região crítica podebloquear a execução de outro processo;
4 Nenhum processo pode ser obrigado a esperar inde�nidamente paraentrar em sua região crítica.
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Concorrência
Exclusão mútua [Chagas, 2016]
Solução: impedir que mais de um processo acesse o dado ao mesmotempo.Deve ser executada somente quando um dos processos estiveracessando o recurso compartilhado;A parte do código onde o acesso ao recurso é feito é chamada deregião crítica.
Figura 4.2: Região crítica34 / 43
Concorrência
Soluções para exclusão mutua I
Inibição das interrupções Inibir as interrupções de cada processo logo apóso ingresso na região crítica, habilitando-as novamente apósdeixá-las.
Desabilitar interrupções deve ser uma atribuição dokernel;Interferir no kernel pode não ser uma boa ideia.
Variáveis de travamento (locks) Utilização de variável única compartilhada(lock) que pode assumir 0 ou 1.
Se dois processos chegam ao mesmo tempo?Condição de corrida.
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Concorrência
Soluções para exclusão mutua II
Chaveamento obrigatório Utiliza a variável inteira turn
[Tanenbaum and Machado Filho, 1995].
A variável turn indica a vez de quem é de entrar na região crítica;
Se um dos processos for mais lento que o outro requer a soluçãoestritamente alternada;
Espera ocupada: teste contínuo do valor esperando por uma mudança.
Listing 1: awh i l e (TRUE) {
wh i l e ( t u rn !=0) /∗ ç l a o ∗/c r i t i c a l _ r e g i o n ( ) ;t u rn = 1 ;
5 n on_c r i t i c a l_ r e g i o n ( ) ;}
Listing 2: bwh i l e (TRUE) {
wh i l e ( t u rn !=1) /∗ ç l a o ∗/c r i t i c a l _ r e g i o n ( ) ;t u rn = 0 ;
5 n on_c r i t i c a l_ r e g i o n ( ) ;}
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Concorrência
Problema do produtor-consumidor
Dois processos compartilham um bu�er de tamanho �xo;
Um põe a informação dentro do bu�er: produtor;
Outro retira a informação do bu�er: consumidor;
Problema: produtor quer colocar um item no bu�er, mas já está cheio;
Solução: colocar o produtor para dormir (sleep) e só acordar quando oconsumidor remover um ou mais itens;
Grande possibilidade de gerar condição de corrida: perda do envio desinal para acordar (wakeup) quando o processo ainda não estádormindo.
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Concorrência
Semáforos [Favacho, 2009]
Baseado em um tipo de variável que possui dois estados: UP eDOWN.
1 O semáforo �ca associado a um recurso compartilhado;2 Se o valor da variável semáforo for diferente de zero, nenhum processo
está utilizando o recurso; caso contrário,o processo �ca impedido doacesso;
3 Sempre que deseja entrar em sua região crítica, o processo executauma instrução DOWN;
4 Se o semáforo for maior que 0, este é decrementado de 1, e o processoque solicitou a operação pode executar sua região crítica;
5 Entretanto, se uma instrução DOWN é executada em um semáforocujo valor seja igual a 0, o processo que solicitou a operação �cará noestado de espera;
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Concorrência
Semáforos (cont.) [Favacho, 2009]
6 Além disso, o processo que está acessando o recurso, ao sair de suaregião crítica, executa uma instrução UP, incrementando o semáforode 1 e liberando o acesso ao recurso;
7 A veri�cação do valor do semáforo, a modi�cação do seu valor e,eventualmente a colocação do processo para dormir são operaçõesatômicas;
8 Operações atômicas são únicas e indivisíveis;
9 Os semáforos aplicados ao problema da exclusão mútua são chamadosde mutex (mutual exclusion) ou binários, por apenas assumirem osvalores 0 e 1.
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Concorrência
Implementação [Favacho, 2009]
#d e f i n e N 100t y p e d e f i n t semaphoresemaphore mutex = 1 ; /∗ c o n t r o l a ã r e g i o í c r t i c a ∗/semaphore empty = N; /∗ c o n t r o l a çõ p o s i e s v a z i a s ∗/
5 semaphore f u l l = 0 ; /∗ c o n t r o l a çõ p o s i e s ocupadas ∗/
v o i d p roduce r ( v o i d ) {wh i l e (TRUE) {
i tem = produce_item ( ) ;down (&empty ) ;
5 down (& mutex ) ;i n s e r t_ i t em ( i tem ) ; /∗ R_c r i t i c a
∗/up(&mutex ) ;up(& f u l l ) ;
}10 }
v o i d consumer ( v o i d ) {wh i l e (TRUE) {
down (& f u l l ) ;down (& mutex ) ;
5 i tem = remove_item ( ) ; /∗ R_cr ít i c a ∗/
up(&mutex ) ;up(&empty ) ;consume_item ( i tem ) ;
}10 }
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Concorrência
OBRIGADO!!!
PERGUNTAS???
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Concorrência
Chagas, F. (2016).Notas de aula do prof. fernando chagas.
FARINES, J. M. and MELO, R. (2000).Sistemas de Tempo Real, volume 1.IME-USP.
Favacho, A. (2009).Notas de aula da Profa. Aletéia Favacho.
Galvin, P. B., Gagne, G., and Silberschatz, A. (2013).Operating system concepts.John Wiley & Sons, Inc.
Guarezi, D. J. and Silva, E. B. (2010).Processos em windows e unix.Disponível em:http://www.inf.ufsc.br/∼magro/PROCESSOS%20EM%20WINDOWS%20E%20UNIX_001.docAcessado em 28/01/2011.
Tanenbaum, A. S. and Machado Filho, N. (1995).42 / 43
Concorrência
Sistemas operacionais modernos, volume 3.Prentice-Hall.
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