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 ­ UNIX - POSIX Knihovna ,,pthreads" Služby knihovny pthread_create pthread_exit pthread_join pthread_detach pthread_attr_init PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26 Příklad: Linux Implementace POSIX threads LinuxThreads * Odpovídá POSIX standardu IEEE 1003.1c až na ovladače signálů. * Vlákna mají různá PID (Process Identifier) * Není nadále vyvíjeno NTPL (Native POSIX Threads Library for Linux) * Nahradilo LinuxThreads * Lepší výkon * Vyžaduje jádro řady 2.6 * Dnes součást knihovny GNU C * Model 1:1 NGPT (Next Generation POSIX Threads) * Alternativa k NTPL, které se neprosadila PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27 Příklad: Linux (2) Služby jádra OS #include 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