Sistemas Operacionais. Prof. Pedro Luís Antonelli Anhanguera Educacional

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1 Sistemas Operacionais Prof. Pedro Luís Antonelli Anhanguera Educacional

2 ARQUITETURA E IMPLEMENTAÇÃO Pacote de Threads Conjunto de rotinas disponíveis para que uma aplicação utilize as facilidades dos threads. Threads em Modo Usuário Threads em Modo Kernel Threads em Modo Hibrido

3 Threads em Modo Usuário Threads em modo usuário são implementas por chamadas a uma biblioteca de rotinas que são linkadas e carregadas em tempo de execução (run-time) no mesmo espaço de endereçamento do processo e executadas em modo usuário. O sistema operacional não sabe da existência de múltiplos threads, sendo responsabilidade da biblioteca gerenciar e sincronizar os diversos threads existentes. MACHADO, fig.6.8, pag 97 Threads em modo usuário

4 Threads em Modo Usuário MACHADO, fig.6.8, pag 97 Threads em modo usuário

5 Threads em Modo Usuário A primeira vantagem deste modelo é a possibilidade de sistema operacional que não suporta threads, implementar aplicações multithreads. Utilizando a biblioteca, múltiplos threads poder ser utilizados, compartilhando o mesmo espaço de endereçamento do processo e outros recursos. Threads em modo usuário são rápidos e eficientes, por dispensar acesso ao kernel do sistema para a criação, eliminação, sincronização e troca de contexto das threads. A biblioteca oferece todo o suporte necessário em modo usuário, sem a necessidade de chamadas ao sistema (system calls).

6 Threads em Modo Usuário O sistema operacional desconhece a existência dos threads, sendo responsabilidade da biblioteca particionar o tempo de CPU do processo (timeslice) entre os diversos threads existentes. Como cada aplicação possui sua cópia da biblioteca, é possível implementar uma política de escalonamento diferente, em função da sua necessidade. Apesar das vantagens, threads em modo usuários são difíceis de implementar. Outro problema do pacote em modo usuário está no compartilhamento de variáveis da biblioteca multithread sem a devida sincronização.

7 Threads em Modo Kernel Threads em modo kernel são implementadas diretamente pelo núcleo do sistema, por chamadas ao sistema (system calls) que oferecem todas as funções de gerenciamento e sincronização. O sistema operacional (escalonador) sabe da existência de cada thread e pode escalona-los individualmente. No caso de múltiplos processadores, os threads de um mesmo processo podem ser executados simultaneamente. Problema é o baixo desempenho.

8 Threads em Modo Kernel MACHADO, fig.6.9, pag 98 Threads em modo kernel

9 Threads em Modo Kernel Os problemas apresentados para a implementação de pacotes em modo usuário não são encontrados neste modelo, como compartilhamento de variáveis, tratamento de sinais, chamadas síncronas, escalonamento em múltiplos processadores, etc. O grande problema para pacotes em modo kernel é o seu desempenho, sendo da ordem de dez vezes mais lento que o modo usuário. Enquanto que pacotes em modo usuário todo tratamento é feito sem a ajuda do sistema operacional, ou seja, sem a mudança do modo de acesso (usuáriokernel-usuário), pacotes em modo kernel utilizam chamadas ao sistema e conseqüente mudança de modo de acesso. MACHADO, fig.6.9, pag 98 Threads em modo kernel

10 Threads em Modo Híbrido Nesta arquitetura existe a idéia de combinar as vantagens de threads implementados em modo usuário e modo kernel. Para facilitar a explicação deste modelo, chamaremos os threads em modo kernel de TMKs e os de modo usuário de TMUs. Um processo pode ter vários TMKs e, por sua vez, um TMK pode ter vários TMUs. O núcleo do sistema reconhece os TMKs e pode escalonálos individualmente.

11 Threads em Modo Híbrido Um TMU pode ser executado em um TMK, em um determinado momento, e no instante seguinte ser executado em outro. O programador desenvolve a aplicação em termos de TMUs e especifica quantos TMKs estão associados ao processo. Os TMU são mapeados em TMK enquanto o processo está sendo executado. O programador pode utilizar apenas TMKs, TMUs ou uma combinação de ambos.

12 Threads em Modo Híbrido MACHADO, figs e 6.11, pag. 99 Threads em modo hibrido

13 Threads em Modo Híbrido O pacote híbrido, apesar da maior flexibilidade, também apresenta problemas herdados de ambas as implementações. Por exemplo, quando um TMK realiza uma chamada bloqueante, todos os TMUs são colocados no estado de espera. TMUs que desejam utilizar vários processadores devem utilizar diferentes TMKs, o que influenciará no desempenho.

14 Scheduler Activations Os problemas apresentados no pacote de threads híbrido existem devido a falta de comunicação entre os threads em modo usuário e modo kernel. O modelo ideal deveria utilizar as facilidades do pacote em modo kernel com o desempenho e flexibilidade do modo usuário. Este pacote combina o melhor do dois mundos, mas ao contrário de multiplexar os threads em modo usuário entre os de modo kernel, o núcleo do sistema troca informações com a biblioteca de threads utilizando uma estrutura de dados chamada scheduler activation.

15 Scheduler Activations MACHADO, figs e 6.11, pag. 99 Scheduler activations (abaixo)

16 Scheduler Activations A maneira de alcançar um melhor desempenho é evitar a mudanças de acessos (usuário-kernel-usuário) desnecessárias. Caso um thread utilize uma chamada ao sistema que o coloque no estado de espera, não é necessário que o kernel seja ativado. Basta que a própria biblioteca em modo usuário possa escalonar outro thread. Isto é possível porque a biblioteca em modo usuário e o kernel se comunicam e trabalham de forma cooperativa. Cada camada implementa seu escalonamento de forma independente, porém trocando informações quando necessário.

17 Pthreads Uma das grandes dificuldades da utilização de threads em aplicações em geral foi a ausência de um padrão. Em 1995, o padrão POSIX (Portable Operating System Interface) P1003.1c foi aprovado. Com este padrão, também conhecido como Pthreads, aplicações comerciais multithread tornaram-se mais comuns. O padrão Pthreads é largamente encontrado em ambientes Unix, geralmente implementado em aplicações escritas em Linguagem C.

18 APIs definidas pelo padrão POSIX

19 Pthreads - O POSIX pode ser implementado modo usuário, modo kernel ou uma combinação de ambos (híbrido). - O padrão utiliza a abordagem de orientação a objetos para representar suas propriedades, como tamanho de pilha, política de escalonamento e prioridades para os threads. - No padrão POSIX threads são criados e eliminados dinamicamente, conforme a necessidade. Além disto, o padrão oferece mecanismos de sincronização, como semáforos e variáveis condicionais.

20 Pthreads - O tratamento de sinais é muito dependente da implementação do pacote em um determinado sistema operacional. - O POSIX threads exige que todas as bibliotecas e chamadas ao sistema sejam thread-safe, ou seja, se um fabricante deseja oferecer o pacote, deverá reescrever grande parte do sistema para torná-lo compatível

21 Considerações sobre Threads Multithreading é a capacidade que o sistema operacional possui de executar várias threads simultaneamente sem que uma interfira na outra. Estas threads compartilham os recursos do processo, mas são capazes de ser executadas de forma independente. Para possuir processamento multithread real, os processadores precisam ser capazes de atender duas ou mais threads ao mesmo tempo e não simular este efeito, atendendo-as uma por vez em um curto período de tempo.

22 Considerações sobre Threads A maior vantagem trazida com a execução multithread é permitir que os computadores com múltiplos núcleos de processamento possam aproveitar todo o seu potencial e operar de forma mais rápida. Apenas para ilustrar, nos computadores sem este tipo de suporte, quando o processo principal toma muito tempo, a aplicação inteira parece travar.

23 SuperThreading Esta tecnologia foi desenvolvida a partir da observação de que algumas vezes o processador era deixado ocioso enquanto executava as instruções de uma thread (nem todo processo requisita toda a capacidade do processador). O objetivo principal era aproveitar este período de ociosidade para a execução de instruções de outra thread. Na execução SuperThreading o processador pode executar instruções de threads diferentes para cada ciclo de processamento. Entretanto, quando um destes ciclos não está mais sendo utilizado por determinada thread, é aproveitado para executar outra que esteja pronta.

24 Hyper-threading Hyper-threading ou Simultaneous multithreading (SMT), basicamente, seria uma espécie de evolução da tecnologia SuperThreading, porém sem a limitação de que todas as instruções executadas em um mesmo ciclo de processamento sejam da mesma thread. A tencologia de Hyper-thread permite que as threads sejam executadas em paralelo (paralelismo) dentro de cada núcleo de processador existente no computador. Este tipo de processamento aproveita de forma mais eficiente o uso dos recursos dos processadores e melhora ainda mais a performance multithread dos programas.

25 Hyper-threading Na imagem abaixo você pode conferir a presença da tecnologia Hyperthreading (HT) nos processadores Pentium 4.

26 Hyper-threading Para deixar um pouco mais claro, pode-se dizer que um único processador com tecnologia hyper-threading habilitada é tratado pelo sistema operacional como dois processadores ao invés de apenas um. Assim sendo, um único processador físico poderia ser tratado pelo Sistema Operacional como dois processadores virtuais dividindo tarefas entre eles.

27 Momento Atual Fonte : acesso em 28/03/2012

28 BIBLIOGRAFIA MACHADO, F. B. & MAIA, L. P., Arquitetura de Sistemas Operacionais, 4 Edição, São Paulo, LTC, TANENBAUM, A. S. Sistemas Operacionais Modernos: 2ª edição, São Paulo, editora Prentice Hall, SILBERSCHATZ, A. Sistemas Operacionais Conceitos: São Paulo, editora LTC, 2004.

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