Programação com Pthreads

Transcrição

1 Programação com Vinícius Alves Hax Engenharia de Computação Furg Abril/2008

2 Índice Conceitos básicos Programação com threads POSIX threads API 2

3 Lembrete Não use códigos desta apresentação em ambiente de produção, pois várias verificações não foram feitas para fins de simplificação 3

4 Processos Um processo é um programa em execução, acompanhado dos valores atuais do contador de programa, dos registrados e das variáveis. Andrew S. Tanenbaum 4

5 Propriedades de um processo Identificadores diversos Registradores PC Ponteiro para a pilha Prioridade Processo pai Etc 5

6 Threads "Technically, a thread is defined as an independent stream of instructions that can be scheduled to run as such by the operating system." Função que roda de forma semi independente do programa 6

7 Processo vs Thread Um processo pode ter uma ou mais threads Uma thread compartilha recursos com o seu processo 7

8 Propriedades Ponteiro de pilha Registradores Propriedades do escalonamento (política e prioridade) Sinais pendentes e bloqueados Dados específicos da thread 8

9 Características Podem criar outras threads Existe dentro de um processo e usa seus recursos Tem seu fluxo de controle independente Só tem as propriedades essenciais para a execução Compartilha os recursos com outros processos Tem um overhead muito menor 9

10 Motivação Intercambiar CPU com I/O Dar prioridades diferentes para problemas diferentes Tratar eventos assíncronos Comunicação entre threads é mais simples do que comunicação entre processos Melhor performance Mais fácil modelar alguns problemas 10

11 Programação Em geral a programação com threads se dá através da divisão do programa em funções executadas por cada thread. Pode ser feita através da divisão de dados também Podem ser usadas em aplicações seriais para simular execução de forma paralela. 11

12 Modelos de programação Coordenador/trabalhador Pipeline Em pares 12

13 Memória compartilhada Todas as threads tem acesso a mesma memória Threads tem seus dados privados A responsabilidade pelo controle de acesso é do programador 13

14 Thread safeness Habilidade de trabalhar com threads, sem encobrir dados compartilhados, ou provocar condições de disputa 14

15 Exemplo not thread safe class RGBColor method SetColor(int r, int g, int b) self.r = r; self.g = g; self.b = b; end thread_1() SetColor(0, 255, 0) thread_2() SetColor(255, 0, 0) 15

16 Recomendações Se não está explícito na documentação que a biblioteca é thread safeness, parta do princípio que ela não é e tome providências para assegurar a execução do seu programa. 16

17 Histórico de pthreads Cada fornecedor de hardware implementou suas própria versão Versões eram proprietárias Versões eram incompatíveis entre si Difícil para programadores portarem suas aplicações 17

18 Padrão Padrão IEEE POSIX c (1995) são um conjunto de bibliotecas para a linguagem C, que podem ser implementadas como uma biblioteca a parte ou parte da própria biblioteca C. Existem versões da biblioteca Cerca de 60 subrotinas 18

19 Comparação de performance Plataforma fork() pthread_create() AMD 2.4 GHz Opteron (8cpus/node) IBM 1.9 GHz POWER5 p5 575 (8cpus/node) IBM 1.5 GHz POWER4 (8cpus/node) INTEL 2.4 GHz Xeon (2 cpus/node) INTEL 1.4 GHz Itanium2 (4 cpus/node)

20 Classificação das rotinas Gerenciamento de threads Mutexes Variáveis de condição 20

21 Convenções de nomes pthread_ Threads e rotinas diversas pthread_attr_ Atributos de threads pthread_mutex_ Mutexes pthread_mutexattr_ Atributos de mutexes pthread_cond_ Variáveis de condição pthread_condattr_ Atributos das variáveis de condição 21

22 Utilização Por questões de portabilidade, sempre devemos incluir em programas usando pthreads o cabeçalho pthread.h O atual padrão POSIX só é definido atualmente para a linguagem C/C++. Alguns compiladores de Fortran (IBM AIX Fortran) fornecem uma API para Fortran 22

23 Compilando gcc nomearquivo.c lpthread g++ nomearquivo.cpp lpthread 23

24 Gerenciamento de threads pthread_create pthread_attr_init pthread_attr_destroy pthread_exit 24

25 Criando threads O número máximo de threads que podem ser criadas é dependente da implementação Uma vez que as threads são criadas, não existe uma hierarquia ou dependência entre elas 25

26 Terminando threads Se a main() termina antes das threads com o comando pthread_exit(), as threads criadas vão continuar a existir. O programador pode especificar o estado de término de uma thread, armazenando o resultado em um ponteiro nulo (void*) 26

27 Passagem de parâmetros void *PrintHello(int* pt) { printf("hello World %d", *pt); pthread_exit(null); } int t; pthread_create(&thread, NULL, PrintHello, &t); 27

28 Joining threads pthread_join (threadid,status) pthread_detach (threadid,status) pthread_attr_setdetachstate (attr,detachstate) pthread_attr_getdetachstate (attr,detachstate) 28

29 Joining "Joining" é um caminho para conseguir sincronização entre threads 29

30 Detalhes sobre joining A subrotina pthread_join() bloqueia a thread chamadora O status pode ser obtido através da subrotina pthread_exit(). Deve haver um join para cada thread 30

31 Detaching Uma thread criada como detached, não pode ser esperada Por default a thread é criada como joinable. Por portabilidade isto deve ser feito de forma explícita Declarando threads como detached poupa recursos do sistema 31

32 Exemplo de joining void *HardWork(void){ for (int i = 0; i < ; i++) ; } pthread_t thread; pthread_create(&thread, NULL, (void *)HardWork, NULL); pthread_join(thread, NULL); printf("acabou a espera"); 32

33 Controle da pilha pthread_attr_getstacksize (attr, stacksize) pthread_attr_setstacksize (attr, stacksize) pthread_attr_getstackaddr (attr, stackaddr) pthread_attr_setstackaddr (attr, stackaddr) 33

34 Rotinas diversas pthread_self () pthread_equal (thread1,thread2) pthread_once (once_control, init_routine) pthread_yield () 34

35 Exemplo pthread_once void* Init(void){ printf("init function\n");} void *PrintHello(void){ static pthread_once_t random_is_initialized = PTHREAD_ONCE_INIT; } printf("hello World\n"); pthread_once(&random_is_initialized, (void*)init); pthread_exit(null); 35

36 Variáveis de exclusão mútua Mutex é uma abreviação para exclusão mútua. Variáveis mutex são a maneira mais comum de implementar sincronismo com pthreads 36

37 Rotinas para mutexes pthread_mutex_init (mutex,attr) pthread_mutex_destroy (mutex) pthread_mutexattr_init (attr) pthread_mutexattr_destroy (attr) 37

38 Inicializando um mutex Estática, na declaração. Example: pthread_mutex_t mymutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; Dinamicamente com a subrotina pthread_mutex_init() Por default as variáveis são desbloqueadas 38

39 Travando e destravando pthread_mutex_lock (mutex) pthread_mutex_trylock (mutex) pthread_mutex_unlock (mutex) 39

40 Variáveis de condição Mutexes implementam sincronização através do controle de acesso aos dados por parte das threads. Variáveis de condição implementam a sincronização baseadas nos valores atuais de uma posição de memória 40

41 Rotinas pthread_cond_init (condition,attr) pthread_cond_destroy (condition) pthread_condattr_init (attr) pthread_condattr_destroy (attr) 41

42 Iniciando variáveis de condição De forma estática, na sua declaração: pthread_cond_t myconvar = PTHREAD_COND_INITIALIZER; Dinamicamente através da subrotina pthread_cond_init() 42

43 Esperando e sinalizando pthread_cond_wait (condition,mutex) pthread_cond_signal (condition) pthread_cond_broadcast (condition) 43

44 Exemplo Thread A: Thread B Trava mutex e checa variável Chama pthread_cond_wait() e espera pela Thread B. Acorda e destrava mutex Trava mutex Muda o valor da variável que A está esperando Se a condição foi satisfeita, sinaliza A e destrava mutex 44

45 Referências Tanenbaum, Andrew S., Sistemas Operacionais Modernos. Linux man page. Designing for Thread Safety. POSIX Threads Programming. IEEE Standards Interpretations for IEEE Std c c 95_int/ind ex.html 45