SISTEMI OPERATIVI THREAD. Giorgio Giacinto Sistemi Operativi

Transcript

1 SISTEMI OPERATIVI THREAD 2

2 Motivazioni» Un programma complesso può eseguire in modo concorrente più funzioni attraverso la creazione e gestione di processi figli attraverso il meccanismo dei thread» La creazione e gestione di più thread all interno di ciascun processo è più leggera rispetto all uso di processi concorrenti» Requisiti Librerie di gestione Vantaggi con supporto hardware al multithreading Vantaggi nel caso di architetture multicore 3 Impieghi del multithreading» Programmi applicativi gestione interfaccia grafica, input, validazione input» Server thread dedicati a ciascun client» Sistemi operativi diverse funzionalità implementate come thread multipli 4

3 Thread e Porcessi one process one thread one process multiple threads multiple processes one thread per process = instruction trace multiple processes multiple threads per process 5 Thread» Unità di base d uso della CPU» Le risorse sono assegnate al processo Tutti i thread di un processo condividono le risorse del processo (memoria, file aperti, ecc.) ma hanno un loro program counter, registri, stack Single-Threaded Process Model Multithreaded Process Model Thread Thread Thread Process Control Block Address Kernel Process Control Block Address Thread Control Block Kernel Thread Control Block Kernel Thread Control Block Kernel 6

4 Esempio: Architettura server multithread 7 Esempio: RPC mediante thread Time RPC Request RPC Request Process 1 Server Server (a) RPC Using Single Thread Thread A (Process 1) Thread B (Process 1) RPC Request Server (b) RPC Using One Thread per Server (on a uniprocessor), waiting for response to RPC, waiting for processor, which is in use by Thread B RPC Request Server 8

5 Vantaggi multithreading» Tempo di risposta Un thread bloccato non blocca necessariamente l intero processo» Condivisione delle risorse I thread di uno stesso processo possono cooperare senza coinvolgere il sistema operativo» Economia Gestire i thread è in genere meno oneroso che gestire processi concorrenti» Scalabilità Esecuzione più rapida su architetture multiprocessore 9 Stati di un Thread» Tre stati» Operazioni che causano il cambio di stato di un thread Spawn Block Unblock Finish 10

6 Multithreading Time I/O request Request complete Time quantum expires Thread A (Process 1) Thread B (Process 1) Thread C (Process 2) Time quantum expires Process created 11 Esempio Pthreads 12

7 Esempio Pthreads (Cont.) 13 Pthreads Codice per il join di 10 thread 14

8 Programmazione multicore» Il progetto di una applicazione che sfrutti a pieno le architetture multicore è complesso Individuare i task fra loro indipendenti Bilanciamento del carico fra i vari task Separazione dei dati + per parallelizzare l accesso ai dati Dipendenze dei dati + evitare incoerenze fra dati elaborati da task diversi Test e debugging + complicato dalle aleatorietà dei flussi d esecuzione 15 Esecuzione concorrente su un sistema a singolo core 16

9 Esecuzione parallela su un sistema multicore 17 18

10 Thread a livello utente e Thread a livello kernel» Thread a livello utente Sono gestiti senza l intervento del sistema operativo Librerie dei linguaggi di programmazione» Thread a livello kernel Sono gestiti direttamente dal sistema operativo Supportati da Windows, Linux, Mac OS X, Solaris, ecc. 19 Modello da molti a uno Level Threads Threads Library P Kernel -level thread Kernel-level thread P Process» Scheduling thread indipendente dal sistema operativo» Una chiamata bloccante al kernel blocca l intero processo» Non sono possibili chiamate concorrenti al kernel» Nessun vantaggio in caso di architettura mutiprocessore 20

11 Stati di un processo e stati di user-level thread (a) Thread 1 Thread 2 (b) Thread 1 Thread 2 Process B Process B (c) Thread 1 Thread 2 (d) Thread 1 Thread 2 Process B Process B 21 Colored state is current state Modello da uno a uno Kernel Level Threads Kernel P -level thread Kernel-level thread P Process» Non ha gli svantaggi del modello precedente» Svantaggio di questo modello Possibile creazione di troppi thread a livello kernel» Modello usato da Windows e Linux 22

12 Modello da molti a molti» Thread a livello kernel in numero inferiore o uguale al numero di thread a livello utente 23 Modello Combinato Threads Library l Kernel P P -level thread Kernel-level thread P Process 24

13 25 Librerie» La programmazione multithread avviene per mezzo di API messe a disposizione da specifiche librerie. Librerie a livello utente + Invocare la libreria non coinvolge il kernel Librerie a livello di kernel» Librerie più diffuse Pthreads di POSIX (a livello utente e kernel) Win32 (livello kernel) Java (livello utente ma attraverso JVM usano librerie del sistema operativo ospitante) 26

14 27 Principali aspetti problematici» Comportamento delle chiamate di sistema fork() e exec()» Cancellazione di thread è il nome dato alla terminazione forzata» Gestione dei segnali inviati ai processi» Creazione di gruppi di thread (thread pool) La richiesta di un servizio viene soddisfatta da uno dei thread nel gruppo non ancora impegnato» Associazione ai thread di dati specifici» Comunicazione fra libreria del kernel e libreria dei thread (LWP e attivazione dello scheduler) 28

15 Attivazione delle scheduler Modelli molti a molti e a due stadi» LWP - LightWeight Process Struttura dati intermedia Messa a disposizione dal kernel + Di solito una per ogni chiamata di sistema bloccante + Numero massimo fissato dal sistema La libreria a livello utente effettua lo scheduling sui LWP 29