Sistemas Operacionais I

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1 UFRJ IM - DCC Sistemas Operacionais I Unidade II - Threads 24/04/2014 Prof. Valeria M. Bastos 1

2 ORGANIZAÇÃO DA UNIDADE Threads Processos Threads Conceituação Descrição e Imagem de uma Thread Tipos de thread Modelos Multithread Comunicação entre Threads Concorrência Deadlock e Starvation 2

3 Conceituação Unidade de execução em sistemas modernos Um processo Um thread Ex: DOS Um processo múltiplos threads Ex: Java runtime engine Múltiplos processos Um thread por processo Ex: UNIX Multiplos processos Múltiplos threads por processo Ex: Windows NT, Solaris, OS/2, entre outros. 3

4 Imagem de um Thread Modelo MultiThread Modelo de Processo (únicothread) Thread Thread Thread Bloco do controle Thread Bloco do controle Thread Bloco do controle Thread Bloco de controle de processo Pilha Usuário Bloco de controle de processo Pilha Usuário Pilha Usuário Pilha Usuário Espaço de endereçamento do usuário Pilha Kernel Espaço de endereçamento do usuário Pilha Kernel Pilha Kernel Pilha Kernel 4

5 Sistemas Multithread Unidade de Alocação PROCESSO Unidade de Execução THREAD Unidade de Proteção PROCESSO 5

6 Benefícios Efetividade Permite que a execução do processo continue mesmo que alguns de seus Threads estejam bloqueados. Compartilhamento de Recursos Threads compartilham memória e outros recursos do processo Economia Threads são mais econômicos de serem criados e o custo da troca de contexto é menor Utilização de Múltiplos Processadores Cada Thread pode ser executado em paralelo em um processador distinto 6

7 Tipos de Threads Usuário O kernel não vê os threads Kernel Implementada pelo Kernel Processo leve (LWP*) Uma combinação (*) Lightweight process 7

8 Tipos de threads Threads de usuário Threads de Kernel 8

9 Processos Leves Threads Tipos de Threads 9

10 Threads de usuário Suporte acima do nível de Kernel Implementadas via user-level thread library (RTL*) Criação, escalonamento e suporte via biblioteca Rápida de ser criada e gerenciada Não podem fazer uso de mais de um processador Chamadas ao sistema podem bloquear o processo Sistemas que suportam user threads POSIX Pthreads Mach C-threads Solaris 2 UI-threads (UI Unix International) (*) Run-time Library 10

11 Threads de kernel Suporte O Kernel cria, escalona e administra os threads Criação e administração mais demorados que as ULTs Podem ser escalonadas para rodar em diferentes processadores Bloqueio de um thread não bloqueia o processo Sistemas que Suportam kernel threads Windows 95/98/NT/2000/XP Solaris Linux 11

12 LWP (processos leves) Criação de threads é feita em modo usuário A maior parte do escalonamento e sincronização acontece em modo usuário Os threads em modo usuário são mapeados num número possivelmente menor de threads do kernel 12

13 Modelos de Multi-Thread Um para Um (Implementações UNIX) Cada thread é um único processo com seu próprio espaço de endereçamento e recursos. Muitos para Um (Windows NT, Solaris, OS/2, dentre outros) Um processo define um espaço de endereçamento e propriedade de recursos dinâmicos. Múltiplos threads podem ser criados e executados dentro deste processo. Um para Muitos (Ra Clouds, Emerald) Um thread pode migrar de um ambiente de processo para outro. Isto permite mover o thread entre diferentes sistemas, Muitos para Muitos (TRIX) Combina atributos de M:1 e 1:M 13

14 Modelo Muitos para Um Gerenciamento do Thread é feito no espaço do usuário (RTL) Usado em sistemas que não suportam Threads Drawback: um thread fazendo uma blocking system call bloqueia todo o processo. 14

15 Modelo Um para Um Cada user-level thread é mapeado para um kernel thread. Drawback: criar um user thread requer a criação de um kernel thread isto pode afetar fortemente o desempenho da aplicação Muitas implementações restringem o número de Threads suportados pelo sistema 15

16 Modelo Muitos para Muitos Permite que vários ULTs sejam mapeados para um número menor ou maior de KLTs.. Permite que o SO crie um número suficiente de KLTs. Supera algumas restrições dos modelos: Many-One and One- One models Examples Solaris 2 Tru64 UNIX 16

17 SMP Multiprocessamento Simétrico Cache Processador Cache Processador... Cache Processador Memória Principal Subsistema E/S 17

18 Threads no Solaris 18

19 Threads no Solaris 19

20 Threads no LINUX 20

21 Threads no Ambiente JAVA Java provê suporte para criação e gerência de threads no nível da linguagem Java threads são gerenciadas pela Java Virtual Machine (JVM) Java threads podem ser criadas: Estendendo-se a classe Thread sobrepondo a execução do método da classe. É executado como uma nova thread pela JVM sempre que o método for chamado Um método inicial é chamado, que aloca memória e inicializa uma nova thread na JVM e chama o método responsável pela execução da thread 21

22 Comunicação entre Threads compartilhamento de recursos espaço de endereçamento de memória compartilhado técnicas de sincronização semelhante as utilizadas em processos 22

23 Biblioteca de Threads - Pthread Algumas funções pthread_create(&id1, NULL, proc, NULL); pthread_join(id1, NULL); pthread_mutex_lock(&mut); pthread_mutex_unlock(&mut); 23

24 Exemplo #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h void *print_message_function( void *ptr ); main() { pthread_t thread1, thread2; char *message1 = "Thread 1"; char *message2 = "Thread 2"; int iret1, iret2; iret1 = pthread_create( &thread1, NULL, print_message_function, (void*) message1); iret2 = pthread_create( &thread2, NULL, print_message_function, (void*) message2); pthread_join( thread1, NULL); pthread_join( thread2, NULL); printf("thread 1 returns: %d\n",iret1); printf("thread 2 returns: %d\n",iret2); exit(0); } 24

25 Exemplo void *print_message_function( void *ptr ) { char *message; message = (char *) ptr; printf("%s \n", message); } Compile: cc -lpthread pthread1. 25

26 Hyper-threading A geração de processadores da Intel IA-32 conhecida como arquitetura Prescott, inclui uma novidade chamada SMT (simultaneous multithreading), ou hyper-threading. Para melhor aproveitar a funcionalidade SMT, as aplicações precisam ser escritas com múltiplos Threads e, como numa arquitetura SMP. Quanto maior o grau de multi-thread maior a performance que a aplicação poderá extrair da arquitetura Prescott. 26

27 Hyper-threading Outra característica da Arquitetura Prescott é ser OOE (Out of Order Execution) em tempo de execução. OOE pega o código escrito e compilado para ser executado em sequência e reescalona a ordem de execução (sempre que possível) para otimizar ao máximo o uso do processador. Após a execução restaura a ordem original e assim a validade dos resultados é garantida. A operação é transparente para o programador, somente a CPU sabe a ordem em que as instruções são realmente executadas. 27

28 Hyper-threading Nesta Arquitetura INTEL: Front end consiste do instruction fetcher and do decoder. Back end ou execution core consiste de todo o resto das operações: register ename logic, out-of-order scheduling logic. Single-threaded CPU Fonte: 28

29 Hyper-threading Single-threaded CPU 29

30 Hyper-threading Superthreading com CPUs Multithreads Superthreaded CPU 30

31 Hyper-threading Hyper-threading elimina a restrição onde, a cada clock, apenas instruções de um mesmo thread podem carregar o Front End Hyper-threaded CPU 31

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