Threads. Nuno Ferreira Neves Faculdade de Ciências de Universidade de Lisboa. Fernando Ramos, Nuno Neves, Sistemas Operativos,

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1 Threads Nuno Ferreira Neves Faculdade de Ciências de Universidade de Lisboa Objetivos da aula Introduzir a noção de thread uma unidade básica de utilização do CPU Discutir os benefícios e os problemas da programação multithreaded Explorar estratégias que fornecem threading implícito

2 Bibliografia [Silberchatz2014], Capítulo 4 NOTA Os acetatos que se seguem não substituem a bibliografia aqui referida, e deverão por isso ser vistos apenas como um complemento para o estudo da matéria. Definição A thread é uma unidade básica de utilização do CPU Cada thread tem de forma exclusiva thread id, program counter, valores dos registos do CPU e pilha As várias threads de um processo partilham secção de dados, secção de texto (código) e outros recursos do SO como ficheiros e sinais Se um processo tem várias threads (multithreading) pode efetuar várias tarefas simultaneamente, como por exemplo Browser com uma thread a mostrar texto e imagens e outra a fazer download de dados Processador de texto com uma thread para mostrar imagem, outra para interagir com utilizador e ainda outra para verificar se há erros gramaticais Fonte da imagem: [Silberschatz2014]

3 Benefícios Porquê criar uma thread e não um novo processo? razões de desempenho (criar processo demora + tempo e é + pesado ) e eficiência (processo necessita de + recursos) Vantagens relacionadas Responsividade: o programa continua a correr mesmo que alguma das tarefas estejam bloqueadas/lenta, permitindo que se mantenha interacção com o utilizador Partilha de recursos: as técnicas de comunicação entre processos (memória partilhada, troca de mensagens) têm de ser criadas explicitamente, mas as threads partilham as variáveis globais, facilitando a comunicação Economia: as threads são mais leves, sendo mais económico criar novas threads e mudar de contexto entre threads Escalabilidade: em sistemas multiprocessador, várias threads podem estar a correr simultaneamente Programação multicore Sistema multicore: sistemas com vários CPUs (cores) num único chip Nestes sistemas as threads podem correr em paralelo o que traz imensos desafios para os programadores Como dividir as tarefas? Como balancear o trabalho? Como distribuir/dividir os dados? Como sincronizar as tarefas? Como fazer o teste e debugging? Fonte da imagem: [Silberschatz2014]

4 Lei de Amdahl Como a maior parte dos programas têm componentes sequenciais e componentes paralelizáveis, então: O ganho em performance de um programa que use múltiplos processadores é limitado pela fração do programa que é sequencial A Lei de Amdahl, numérica e graficamente: speedup S 1 1 S N S: fração sequencial N: número de processadores Exemplo: Programa demora 20 horas a correr num computador com apenas um core. Tarefa sequencial demora uma hora (5% sequencial). Por mais cores que tenhamos, precisamos de pelo menos 1 hora para terminar o trabalho. A melhoria nunca será maior do que 20x! Fonte da imagem: [Wiki] Threads de nível utilizador Tipos de threads geridas por bibliotecas de nível utilizador Principais exemplos: POSIX Pthreads, Win32 threads, Java threads Threads do kernel geridas pelo sistema operativo Praticamente todos os sistemas atuais têm destas threads (Windows, Linux, Mac OS X, etc.) Os modelos multithreading relacionam as threads nível utilizador com as threads do kernel muitas para uma (many to one) uma para uma (one to one) muitas para muitas (many to many) variante dois níveis (two level)

5 Gestão feita por biblioteca em espaço utilizador pouco comum atualmente Vantagens eficiência na gestão das threads Modelo many to one por ser feita em user space (espaço utilizador) Desvantagens processo pode bloquear se uma thread faz uma chamada de sistema bloqueante multiplas threads não podem correr em paralelo num sistema multiprocessador/multicore Fonte da imagem: [Silberschatz2014] Modelo one to one Vantagens uma thread pode correr quando outra está bloqueada várias threads correm em paralelo num sistema multiprocessador/multicore Desvantagens o overhead de criar threads no kernel pode afetar o desempenho da aplicação por isso normalmente restringe se o número de threads permitidas no sistema Por exemplo, o Windows e o Linux implementam este modelo Fonte da imagem: [Silberschatz2014]

6 Modelo many to many Multiplexam se threads de nível utilizador num número inferior ou igual de threads do kernel Maior flexibilidade junta vantagens do modelo many tomany... programador pode criar as threads que quiser... com vantagens do modelo one to one uma thread pode correr quando outra está bloqueada múltiplas threads podem correr em paralelo num sistema multiprocessador Fonte da imagem: [Silberschatz2014] Modelo two level Dois em um modelo many to many como base mas permite que algumas user threads estejam ligadas a uma só kernel thread (one to one) Este modelo era usado pelo Solaris mas a partir da versão 9 passou para o one to one Fonte da imagem: [Silberschatz2014]

7 Bibliotecas de threads As bibliotecas de threads oferecem uma API para os programadores criarem e gerirem threads podem ser implementadas integralmente em espaço utilizador ou como uma biblioteca gerida pelo kernel Exemplos Pthreads o standard POSIX especifica o comportamento, mas a concretização fica a cargo da biblioteca pode ser implementada a nível utilizador ou nível kernel comum em sistemas Unix (Linux, Mac OS X, Solaris) Java Threads geridas pela JVM e são tipicamente implementada usando a biblioteca de threads oferecida pelo SO anfitrião podem ser concretizadas estendendo a classe Thread ou implementando a interface Runnable Python API: exemplo

8 Threading implícito Com o crescimento do processamento multicore, está a tornarse muito popular programar aplicações com centenas ou milhares de threads tornando se muito complicado para o programador garantir que o programa funciona corretamente A alternativa é a criação e gestão das threads pelos compiladores e bibliotecas de run time, em vez de ser uma tarefa dos programadores Vamos explorar três métodos Thread Pools OpenMP Grand Central Dispatch Thread pools Exemplo motivador: servidor que tem de servir muitos clientes Solução básica : uma thread por cliente Problemas desta solução: tempo de criação da thread (mais rápido do que um novo processo, mas ainda assim demora tempo) e depois a sua destruição (qdo acaba de executar) ese forem mesmo MUITOS clientes? Para resolver estes dois problemas pode criar se uma thread pool cria se logo de início um número limitado de threads que ficam à espera (numa pool) de trabalho para fazer melhor performance (threads já estão criadas quando surgem os pedidos) melhor gestão de recursos (podemos limitar o número máximo de threads pelo tamanho da pool)

9 OpenMP Conjunto de diretivas de compilador de suporte à programação paralela API para C, C++, FORTRAN Permite identificar regiões paralelas isto é, blocos de código que podem correr em paralelo A diretiva: #pragma omp parallel cria várias threads (tantas quanto o número de cores disponível) Existem outras diretivas, permitindo por exemplo que o trabalho de um loop for seja dividido pelas threads Grand Central Dispatch Semelhante ao openmp, mas da Apple, para Mac OS X e ios suporta C e C++ Também permite a identificação de blocos paralelos para gerir o threading No GCD um bloco é delimitado por ^{ } ˆ{ printf("i am a block"); } Os blocos são colocados numa fila e são atribuídos a uma thread (de uma pool) quando são removidos dessa fila

10 Semânticas do fork() e exec() Como funciona o fork() e o exec() no caso de várias threads? O exec() funciona como no caso de thread única o programa passado como argumento do exec() substitui todo o processo, incluindo todas as suas threads O fork() duplica apenas a thread que o invoca ou todas as threads do processo? a melhor escolha depende da aplicação, existindo alguns UNIX que suportam duas variantes do fork(): 1. se o exec() é invocado logo após o fork() é desnecessário duplicar todas as threads dado que serão substituídas pelo programa passado ao exec() 2. caso contrário, o fork() deve duplicar todas as threads Exemplos Cancelamento de threads quando se carrega no botão stop, num browser da Web, todas as threads devem ser canceladas Opções de cancelamento assíncrono: termina thread alvo imediatamente diferido: dá se tempo à thread alvo para cancelar a thread alvo deve determinar periodicamente se deve terminar o tempo concedido pode ser usado para terminar corretamente e.g., libertando todos os recursos necessários

11 Manipulação de sinais Os sinais são usados em sistemas UNIX para notificar os processos de que ocorreu um evento sinal é gerado é enviado ao processo, e o processo trata o sinal Tipos de sinais 1. síncrono: sinal entregue ao processo que o gerou e.g., divisão por zero, acesso ilegal à memória 2. assíncrono: sinal entregue ao processo devido a um evento externo e.g., <ctrl>+<c>, disparo de alarme Tratar do sinal: 1) default signal handler; 2) signal handler do utilizador E se o processo tiver múltiplas threads? envia se o sinal apenas para a thread a que o sinal se aplica? ou para todas? Ou apenas para algumas? Resposta: depende do sinal sinal síncrono deve ser entregue à thread que o gerou com sinais assíncronos a opção é menos clara. alguns, como <ctrl>+<c>, devem ser entregues a todas as threads Armazenamento local de thread As várias threads de um processo partilham a secção de dados vantagem importante, porque facilita comunicação E têm pilha para os seus dados locais temporários Mas há dados que podem ser locais (específicos de uma só thread) mas terem carácter permanente isto é, devem estar disponíveis não só numa invocação de uma função, mas entre invocações imagine uma thread que quer manter o seu identificador entre chamadas à sua execução as bibliotecas de threads normalmente oferecem este tipo de suporte

12 Bibliografia [Silberschatz2014] Operating System Concepts. Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne, 9th edition, Capítulo 4

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