Computazione multi-processo. Condivisione, Comunicazione e Sincronizzazione dei Processi. Segnali. Processi e Threads Pt. 2

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1 Computazione multi-processo Avere più processi allo stesso momento implica/richiede Processi e Threads Pt. 2 Concorrenza ed efficienza Indipendenza e protezione dei dati ma deve prevedere/permettere anche: condivisione, comunicazione, sincronizzazione 5.2 Condivisione, Comunicazione e Sincronizzazione dei Processi Quattro tipologie di interazione tra processi Stato Condivisione dei dati Scambio di messaggi Sincronizzazione Segnali Descrizione / Problematiche Aree di memoria visibili o collegate a più processi. I dati condivisi possono diventare inconsistenti se non si permette una gestione sicura (blocchi/mutua esclusione) Meccanismi e strutture dati per creare canali per l invio e ricezione di messaggi Meccanismi per creare elementi di sincronizzazione, ranking e sequenzializzazione dei processi Usati per comunicare ad un processo un qualche evento o situazione di eccezione Segnali Un segnale è usato per rendere nota una qualche situazione eccezionale ad un processo e permettergli di gestirla immediatamente Situazioni e nomi/numeri dei segnali sono definiti nel SO Condizioni proprie della CPU quali overflow Condizioni relative ai processi figli Utilizzo di risorse Messaggi dall utente al processo Può essere sincrono o asincrono Gestito da un signal handler definito dal processo o fornito dal SO (default handler)

2 Segnali in UNIX void gestisci(int segnale) printf( ho ricevuto il segnale %d, segnale) Esempio: Gestione di Segnali Indirizzo iniziale dell area di di memoriz. dei dei signal vector int main() signal(sigusr1, gestisci); while(1) ; signal(sigusr1, gestisci); signal(sigusr1, gestisci); Il processo si prepara a gestire un segnale Quando il segnale arriverà (asincronamente) la routine gestisci sarà eseguita 5.5 Gestione di segnali per un processo P i : (a) fasi di registrazione di un gestore di segnali; Gestione di segnali per un processo P i : (a)(b) fase fasi di di registrazione chiamata del di gestore un gestore di segnali; (b) fase di chiamata del gestore Tipici eventi gestiti dal SO Gestione degli Eventi Gestione degli Eventi (cont.) Tipici eventi gestiti dal SO 1. Evento per la creazione di un Processo 2. Evento per la terminazione di un Processo 3. Evento Timer 4. Evento per la richiesta di una risorsa 5. Evento per il rilascio di una risorsa 6. Evento di richiesta inizio I/O 7. Evento di completamento di I/O 8. Evento per l invio di un Messaggio 9. Evento per la ricezione di un Messaggio 10. Evento di invio di un segnale 11. Evento di ricezione di un segnale 12. Richiesta di interrupt da programma 13. Evento per il malfunzionamento dell hw

3 Gestione di Eventi (cont.) Quando un evento occorre, il kernel deve trovare il processo il cui stato risulta influenzato dall evento I SO usano schemi differenti per accelerare tale azione Es., event control block (ECB) bloccato Info Evento Relazioni tra PCB e ECB Fine I/O su d P i fa partire un operazione di I/O su d Descrizione dell Evento Id del Processo Puntatore ad altro ECB Event control block (ECB) 5.9 Azioni del kernel per la gestione degli eventi 5.10 I Thread Definizione: Tread è una sequenza di eleborazione nell ambito delle risorse allocate ad un processo Cenni sull uso dei Thread Un thread è un modello alternativo per l esecuzione di un programma Un processo crea un thread mediante una system call Il thread opera all interno del contesto del processo L uso dei thread implica la divisione dello stato del processo in due parti distinte Lo stato relativo alle risorse, proprio del processo Lo stato della CPU che è associato al thread Thread-Switching richiede minore overhead

4 Programma Multiprocesso int main() struct dati A; pid = fork(); if(pid == 0) // PROCESSO 2 // aggiorna la struttura A else // PROCESSO 1 // aggiorna la struttura A 5.13 I Thread (continued) I Thread (continued) Info Info Puntatori Memoria Info Risorse Info Puntatori ai File Memoria Risorse ai File Codice Dati Stack Contesto del Contesto del Contesto Processo del P i Contesto Processo del P i Processo P i Processo P i Un processo Un P i Pcon i con piu thread: (a) schema concettuale; (b) implementazione (b) implementazione Thread Control Block Thread Control Block Alcuni vantaggi offerti dall uso dei thread in alternativa ai processi Vantaggio Minor overhead in fase di creazione e switching Nessuna necessità di scambio di messaggi Progettazione semplificata Spiegazione Lo stato di un thread consiste solo nello stato della computazione. Allocazione delle risorse e comunicazioni non sono più necessarie I thread di uno stesso processo possono comunicare usando la memoria condivisa, senza dover implementare comunicazione tra processi L uso dei thread permette di semplificare il design delle applicazioni e la loro codifica, in presenza di attività di elaborazione eseguibili concorrentemente Alcuni vantaggi offerti dall uso dei thread in alternativa ai processi Vantaggio Minor overhead in fase di creazione condivisi e switching Problematiche relative ai thread Spiegazione Librerie Thread safe per assicurare la correttezza dei dati Lo stato di un thread consiste solo nello stato della computazione. Allocazione delle risorse e comunicazioni non sono più necessarie Signal handling: quale thread gestisce il segnale? Nessuna necessità La scelta di può essere I thread fatta di uno dal stesso kernel processo o dall applicazione possono comunicare usando la scambio di messaggi memoria condivisa, senza dover implementare comunicazione tra Un segnale sincrono processi andrebbe gestito dal thread stesso Un segnale asincrono può essere gestito da un qualsiasi thread Progettazione semplificata L uso dei thread permette di semplificare il design delle del processo applicazioni e la loro codifica, in presenza di attività di Idealmente elaborazione dal thread con eseguibili priorità concorrentemente massima Uso di thread per la realizzazione di un server: (a) server implementato in maniera sequenziale (nessuna concorrenza); (b) server multi-thread; (c) server con pool di thread 5.16

5 Thread di livello Kernel, Utente, e Thread Ibridi Thread di livello Kernel I Thread sono gestiti dal Kernel Thread di livello utente Gestiti mediante una libreria per i thread Thread ibridi Thread di livello utente mappati su thread di livello kernel Thread di livello Utente Corrispondenza creata dalla libreria dei thread 5.17 Scheduling di thread di livello utente Commutazione veloce perché il Kernel non è coinvolto Blocco di un thread può bloccare l intero processo Thread di un processo: Né concorrenza né parallelismo 5.18 Scheduling di Thread di livello Utente Thread di livello Kernel A P A P P A P A Azioni della libreria di gestione dei thread (A,P, B indicano gli stati attivo, pronto, bloccato) La libreria per Thread gestisce stati e commutazione 5.19 Scheduling di thread di livello kernel Un thread di livello kernel è come un processo, ma necessita di meno informazioni di stato La commutazione tra thread dello stesso processo genera overhead per la gestione degli eventi 5.20

6 Modelli di Thread Ibridi Ricapitolando Thread : modello alternativo di esecuzione di programmi Minore overhead di commutazione (context switch) Tree modelli principali: Thread di livello Kernel Thread di livello Utente Modello Ibrido I diversi modelli hanno diverse implicazioni su: overhead di commutazione, concorrenza e parallelismo. Associazioni nei modelli di thread ibridi: (a) molti a uno; (b) uno-a-uno; (c) molti a molti Offre allo stesso tempo parallelismo e basso overhead Casi di Studio Thread POSIX API pthread in Unix Processi e thread in Linux L ANSI/IEEE Portable Operating System Interface (POSIX) standard definisce le pthreads API Per l uso all interno di programmi C Fornisce 60 routine per: Thread management (creazione, eliminazione) Supporto al data sharing mutual exclusion Supporto alle variabili di sincronizzazione e condizione Un pthread viene creato con una syscall pthread_create(< data structure >,< attributes >, < start routine >,< arguments >) La sincronizzazione padre-figlio avviene mediante pthread_join Terminazione mediante chiamata a pthread_exit

7 Processi e Thread in Linux Stati dei Processi: Task_running, Task_interruptible, Taskuninterruptible, task_stopped e task_zombie Le informazioni su processo padre e processi figli e thread sono in una struttura task_struct Processi e Thread in Linux Le informazioni su un processo sono in una struttura task_struct link ad altre strutture con informazioni su Memoria File Segnali Linux 2.6 supporta thread a livello kernel La creazione di un nuovo processo/task duplica la task_struct Se processo si creano nuove strutture per Memoria, file, segnali Se thread si copiano gli stessi puntatori Modello uno-a-uno

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