PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Vlákna
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Procesy a vlákna
Program
soubor definovaného formátu obsahující instrukce, data a další
informace potřebné k provedení daného úkolu
Proces
systémový objekt charakterizovaný svým paměťovým prostorem
a kontextem (paměť i některé další zdroje jsou přidělovány
procesům)
Vlákno, také ,,sled"
objekt, který vzniká v rámci procesu, je viditelný pouze uvnitř
procesu a je charakterizován svým stavem (CPU se přidělují
vláknům)
Model ­ jen procesy (ne vlákna)
proces: jednotka plánování činnosti i jednotka vlastnící
prostředky
Model ­ procesy a vlákna
proces: jednotka vlastnící zdroje
vlákno: jednotka plánování činnosti
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Procesy a vlákna
Každé vlákno si udržuje svůj vlastní
zásobník
PC (program counter)
registry
TCB (Thread Context Block)
Vlákno může přistupovat k paměti a ostatním
zdrojům svého procesu
zdroje procesu sdílí všechny vlákna jednoho procesu
jakmile jedeno vlákno změní obsah (nelokální ­ mimo
zásobník) buňky, všechny ostatní vlákna (téhož
procesu) to vidí
soubor otevřený jedním vláknem mají k dispozici
všechny ostatní vlákna (téhož procesu)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Procesy a vlákna
Proč využít vlákna
využití multiprocesorových strojů (vlákna jednoho procesu mohou
běžet na různých CPU)
jednodušší programovaní
typický příklad: jedno vlákno provádí uživatelem požadovaný úkol a
druhé vlákno překresluje obrazovku
1:1
UNIX Systém V, (MS-DOS)
* pojem vlákno neznámý, každé ,,vlákno" je procesem s vlastním
adresovým prostorem a s vlastními prostředky
1:M
OS/2, Windows XP, Mach, ...
* v rámci 1 procesu lze vytvořit více vláken
* proces je vlastníkem zdrojů (vlákna sdílejí zdroje procesu)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Procesy vs. vlákna
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Jedno/multivláknový OS
Jednovláknový OS:
nepodporuje koncept vláken (nezná pojem
vlákno)
MS-DOS: 1 proces, 1 vlákno
UNIX: n procesů, 1 vlákno / 1 proces
Multivláknový OS:
podporuje koncept více vláken v rámci
procesů
Windows XP, Solaris, ...
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Výhody využití vláken
Výhody
vlákno se vytvoří rychleji než proces
vlákno se ukončí rychleji než proces
mezi vlákny se rychleji přepíná než mezi procesy
jednodušší programování (jednodušší struktura programu)
u multiprocesorových systémů může na různých procesorech
běžet více vláken jednoho procesu současně
Příklady
síťový souborový (nebo i jiný ) server
* musí vyřizovat řadu požadavků klientů
* pro vyřízení každého požadavku vytváří samostatné vlákno
(efektivnější než samostatný proces)
1 vlákno zobrazuje menu a čte vstup od uživatele a současně 1
vlákno provádí příkazy uživatele
překreslování obrazovky souběžně se zpracováním dat
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Problém konzistence
Program se skládá z několika vláken které běží
paralelně
Výhody
když vlákno čeká na ukončení I/O operace, může
běžet jiné vlákno téhož procesu, aniž by se přepínalo
mezi procesy (což je časově náročné)
vlákna jednoho procesu sdílí paměť a deskriptory
otevřených souborů a mohou mezi sebou
komunikovat, aniž by k tomu potřebovaly služby jádra
(což by bylo pomalejší)
Konzistence
vlákna jedné aplikace se proto musí mezi sebou
synchronizovat, aby se zachovala konzistentnost dat
(musíme zabránit současné modifikace stejných dat
dvěmi vlákny apod.)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Příklad (problém konzistence)
Situace:
3 proměnné: A, B, C
2 vlákna: T1, T2
vlákno T1 počítá C = A+B
vlákno T2 přesouvá hodnotu X z A do B (jakoby z účtu na účet)
Představa o chování
T2 dělá A = A-X a B = B+X
T1 počítá konstantní C, tj. A + B se nezmění
Ale jestliže
T1 spočítá A+B
po té co T2 udělá A = A-X
ale dříve než co T2 udělá B = B+X
pak T1 nezíská správný výsledek C = A+B
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Stavy vláken
Tři klíčové stavy vláken:
běží
připravený
čekající
Vlákna se (samostatně) neodkládají
všechny vlákna jednoho procesu sdílejí stejný
adresový prostor
Ukončení procesu ukončuje všechny vlákna
existující v rámci tohoto procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Vlákna na uživatelské úrovni
User-Level Threads (ULT)
Správa vláken se provádí prostřednictvím vláknové
knihovny (,,thread library") na úrovni uživatelského /
aplikačního programu
Jádro o jejich existenci neví
* přepojování mezi vlákny nepožaduje provádění funkcí jádra
* nepřepíná se ani kontext procesu ani režim procesoru
Plánování přepínání vláken je specifické pro
konkrétní aplikaci
* aplikace si volí pro sebe nejvhodnější (např. plánovací)
algoritmus
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Vlákna na uživatelské úrovni
,,Threads library" obsahuje funkce pro
vytváření a rušení vláken
předávání zpráv a dat mezi vlákny
plánování běhů vláken
uchovávání a obnova kontextů vláken
Co dělá jádro pro vlákna na uživatelské úrovni
jádro neví o aktivitě vláken, proto manipuluje s celými procesy
když některé vlákno zavolá službu jádra, je blokován celý proces
dokud se služba nesplní
pro ,,thread library" je takové vlákno ale stále ve stavu ,,běží"
stavy vláken jsou na stavech procesu nezávislé
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Vlákna na uživatelské úrovni
Výhody
přepojování mezi vlákny nepožaduje provádění jádra (tj.vyšší
rychlost)
* nepřepíná se ani kontext ani režim procesoru
plánování je specifické pro konkrétní aplikaci
* aplikace volí si pro sebe nejvhodnější algoritmus
ULT mohou běžet pod kterýmkoliv OS
* není vyžadována podpora na úrovní jádra OS
ULT potřebují uživatelskou knihovnu (ke slinkovaní s aplikací)
Nevýhody
většina volání služeb OS způsobí blokování celého procesu (tj.
všech vláken procesu)
jádro může přidělovat procesor pouze procesům, dvě vlákna
stejného procesu nemohou běžet na dvou procesorech
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Vlákna na úrovni jádra
Kernel-Level Threads (KLT)
Správu vláken podporuje jádro, nepoužívá se ,,thread library"
používá se API pro vláknové služby jádra
informaci o kontextu procesů a vláken udržuje jádro
přepojování mezi vlákny aktivuje jádro
plánování na bázi vláken již v jádře OS
Příklady
OS/2
Windows 95/98/NT/2000/XP
Solaris
Tru64 UNIX
BeOS
Linux
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Vlákna na úrovni jádra
Výhody
jádro může současně plánovat běh více váken
stejného procesu na více procesorech
k blokování dochází na úrovni vlákna (není blokován
celý proces)
I programy jádra mohou mít multivláknový charakter
Nevýhody
přepojování mezi vlákny stejného procesu
zprostředkovává jádro (tj. pomaleji)
při přepnutí vlákna se 2x přepíná režim procesoru (tj.
režie navíc)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Kombinace vláken ULT/KLT
Vlákna se vytvářejí v uživatelském prostoru
Většina plánování a synchronizace se dělá v
uživatelském prostoru
Programátor může nastavit počet vláken na
úrovni jádra
Lze kombinovat přínosy oboru přístupů
Např. OS Solaris <=8
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Multivláknové modely
n : 1
více ULT se zobrazuje do 1 KLT
používá se na systémech, které nepodporují KLT
1 : 1
každý ULT se zobrazuje do 1 KLT
Windows 95/98/NT/2000/XP, OS/2
n : m
více ULT se může zobrazovat do více KLT
OS může vytvořit dostatečný počet KLT
Solaris 2, Windows NT/2000 s ThreadFiber package
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Model n:1
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Model 1:1
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Model m:n
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad: Solaris 2
Proces
uživatelský adresový prostor
zásobník
PCB (process control block)
ULT
OS je nevidí
KLT
jednotka pro přidělování času procesoru
Lightweight processes (LWP)
LWP podporuje 1 nebo více ULT a zobrazuje je do 1
KLT
LWP ­ rozhraní pro paralelismus pro aplikace
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Příklad: Solaris 2 (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Příklad: Win32
Implementuje vlákna na úrovni jádra OS (implementace je
zdařilá, umožňuje mimo jiné paralelní běh vláken jednoho
procesu na různých procesorech)
Služby OS
CreateThread
ExitThread
GetExitCodeThread
CreateRemoteThread (vytváří vlákno jiného procesu)
SuspendThread
ResumeThread
GetProcessAffinityMask (běh vlákna na procesorech)
SetProcessAffinityMask
SetThreadIdealProcessor
SwitchToThread (spusť jiný thread ­ je-li připraven)
TlsAlloc, TlsFree, TlsSetValue, TlsGetValue (thread local
storage)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Příklad: Win32 (2)
,,A Win32-based application consists of one or more processes. A
process, in the simplest terms, is an executing program. One or more
threads run in the context of the process. A thread is the basic unit to
which the operating system allocates processor time. A thread can
execute any part of the process code, including parts currently being
executed by another thread. A fiber is a unit of execution that must be
manually scheduled by the application. Fibers run in the context of the
threads that schedule them"
Služby OS
ConvertThreadToFiber
CreateFiber
DeleteFiber
GetFiberData
SwitchToFiber
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad: Linux
Knihovna ,,pthreads"
Služby knihovny
pthread_create
pthread_exit
pthread_join
pthread_detach
pthread_attr_init
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad: Linux (2)
Služby jádra OS
#include <sched.h>
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,int flags,
void *arg);
_syscall2(int, clone, int, flags, void *, child_stack);
služba jádra sys_clone a knihovní funkce clone
vytvoří vlákno, které sdílí (v rámci procesu) adresový
prostor, tabulku deskriptorů souborů, tabulku ovladačů
signálů, trasovací informace, process ID