Systemy operacyjne

wykład 4.

Wątki

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.2

Wykład 4: Wątki

•

Przegląd

•

Modele wielowątkowości

•

Biblioteki obsługi wątków

•

Zagadnienia dotyczące wątków

•

Przykłady wątków w S.O.

•

Wątki w Windows XP

•

Wątki w Linux

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.3

Cele

•

Wprowadzenie pojęcia wątku – podstawowej jednostki wykorzystania CPU
stanowiącej podstawę wielowątkowych systemów komputerowych

•

Przedyskutowanie APIs dla bibliotek: Pthreads, Win32 oraz Java

•

Przedyskutowanie zagadnień związanych z programowaniem
wielowątkowym

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.4

Procesy jedno- i wielowątkowe

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.5

Korzyści

•

Zdolność do reagowania

•

Współdzielenie zasobów

•

Ekonomika

•

Skalowalność

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.6

Architektura wielowątkowego serwera

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.7

Wątki użytkownika (User Threads)

•

Zarządzanie wątkami przez bibliotekę wątków na poziomie użytkownika

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.8

Wątki jądra (Kernel Threads)

•

Udostępniane przez jądro

•

Przykłady

– Windows XP/2000

– Solaris

– Linux

– Tru64 UNIX

– Mac OS X

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.9

Modele wielowątkowości (Multithreading
Models)

•

Wiele-na-Jeden (Many-to-One)

•

Jeden-na-Jeden (One-to-One)

•

Wiele-na-Wiele (Many-to-Many)

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.10

Wiele-do-Jednego (Many-to-One)

•

Wiele wątków poziomu użytkownika zmapowanych na jeden wątek jądra

•

Przykłady:

– Solaris Green Threads

– GNU Portable Threads

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.11

Many-to-One Model

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.12

Jeden-na-Jeden (One-to-One)

•

Każdy wątek poziomu użytkownika jest mapowany na wątek jądra

•

Przykłady

– Windows NT/XP/2000

– Linux

– Solaris 9 i późniejsze

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.13

One-to-one Model

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.14

Model Wiele-na-Wiele (Many-to-Many)

•

Pozwala odwzorowywać wiele wątków poziomu użytkownika na wiele
wątków jądra

•

Pozwala s.o. tworzyć wystarczającą liczbę wątków jądra

•

Solaris (wersje wcześniejsze niż 9.)

•

Windows NT/2000 z pakietem ThreadFiber

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.15

Many-to-Many Model

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.16

Model dwupoziomowy

•

Podobny do M:M, ale pozwala skojarzyć wybrany wątek użytkownika z
wątkiem jądra

•

Przykłady

– IRIX

– HP-UX

– Tru64 UNIX

– Solaris 8 i wcześniejsze

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.17

Two-level Model

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.18

Thread Libraries

•

Biblioteka wątków

zapewnia programiście API do tworzenia i zarządzania

wątkami

•

Dwa główne sposoby implementacji:

– Biblioteka całkowicie w przestrzeni użytkownika

– Biblioteka na poziomie jądra wspierana przez s.o.

•

Trzy główne biblioteki wątków:

–

POSIX

Pthreads

–

wątki Win32

–

wątki Java

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.19

P-wątki (Pthreads)

•

Mogą być dostarczane zarówno jako wątki użytkownika jak i wątki jądra

•

Standard POSIX (IEEE 1003.1c) API do tworzenia wątków i ich
synchronizowania

•

API określa działanie biblioteki wątków, implementacja jest kwestią
związaną z tworzeniem biblioteki

•

Powszechne w systemach UNIX-owych (Solaris, Linux, Mac OS X)

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.20

Wątki Javy

•

Wątki Javy są realizowane i zarządzane przez JVM

•

Zwykle implementowane z wykorzystaniem modelu wątków udostępnianego
przez s.o. w którym działa JVM

•

Wątki Javy mogą być tworzone poprzez:

– Rozszerzenie klasy Thread

– Implementację interfejsu Runnable

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.21

Zagadnienia związane z wątkami

•

Semantyka wywołań systemowych

fork() i exec()

•

Kasowanie (Thread cancellation) wątku docelowego (target thread)

– Asynchroniczne lub odroczone

•

Obsługa sygnałów (Signal handling)

•

Pule wątków (Thread pools)

•

Dane charakterystyczne wątku (Thread-specific data)

•

Aktywacje planisty (Scheduler activations)

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.22

Semantyka fork() i exec()

•

Czy

fork() powiela tylko wywołujący tę funkcję wątek czy wszystkie wątki?

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.23

Kasowanie wątku

•

Zakończenie wątku przed końcem jego pracy

•

Dwa główne podejścia:

–

Kasowanie asynchroniczne (Asynchronous cancellation) kończy
natychmiast wątek docelowy

–

Kasowanie odroczone (Deferred cancellation) pozwala wątkowi
docelowemu okresowo sprawdzać czy powinien się zakończyć

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.24

Obsługa sygnałów

•

Sygnały są używane w systemach uniksowych do informowania procesu o
wystąpieniu określonego zdarzenia

•

Procedura obsługi sygnału (

signal handler)

ijest wykorzystywana do

przetworzenia sygnału

1. Sygnał zostaje wygenerowany przez dane zdarzenie

2. Sygnał zostaje dostarczony do procesu

3. Sygnał zostaje obsłużony

•

Opcje:

– Dostarczyć sygnał do wątku, do którego się odnosi dany sygnał

– Dostarczyć sygnał do każdego wątku w procesie

– Dostarczyć sygnał do pewnych wątków w procesie

– Przypisać wybrany wątek do obsługi wszystkich sygnałów w procesie

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.25

Pule wątków

•

Utworzyć pewną liczbę wątków tworzących pulę, gdzie będą czekać na
prace do wykonania

•

Zalety:

– Zwykle nieco szybsza obsługa żądań w przypadku istniejącego wątku niż

dla wątku, który trzeba dopiero utworzyć

– Pozwala na ograniczenie liczby wątków aplikacji do wielkości puli

wątków

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.26

Dane charakterystyczne wątku (Thread
Specific Data)

•

Pozwalają każdemu wątkowi na posiadanie własnej kopii pewnych danych

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.27

Aktywacje planisty

•

Oba modele M:M i Two-level wymagają komunikacji pomiędzy biblioteka
poziomu użytkownika

•

Aktywacje planisty – schemat komunikacji

•

upcalls

– sposób informowania aplikacji przez jądro o zdarzeniach

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.28

Windows XP Threads

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.29

Linux Threads

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.30

Windows XP Threads

•

Implementuje mapowanie jeden-na-jeden, poziom jądra

•

Każdy wątek zawiera

– Identyfikator wątku

– Zbiór rejestrów

– Oddzielne: sotos użytkownika i jądra

– Obszar danych prywatnych

•

Zbiór rejestrów, stosy i obszar na dane prywatne są zwane kontekstem
wątku

•

Podstawowe struktury danych wątku zawierają:

– ETHREAD (executive thread block)

– KTHREAD (kernel thread block)

– TEB (thread environment block)

Opracowano na podst.: Operating System Concepts – 8

th

Edition

,

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009

1.31

Linux Threads

•

Linux odnosi się do nich raczej jako do zadań (tasks) niż wątków (threads)

•

Tworzenie wątków za pomocą f. systemowej

clone()

•

clone() pozwala zadaniu potomnemu współdzielić przestrzeń adresową z
zadaniem (procesem) rodzicielskim