Sistemas Operacionais

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1 Introdução Inst tituto de Info ormátic ca - UF FRGS Sistemas Operacionais i Multithreading Aula 04 Necessidade de executar atividades concorrentes, porém cooperantes ou que compartilhem dados endereçamento separados (isolados entre si) Como expressar essa concorrência/disputa por dados? Mecanismos de Inter Process Communications (I): sockets, pipes, queues, memória compartilhada, semáforos Desvantagem dos mecanismos de I Não são integradas a linguagens, são disponibilizadas via chamadas de Solução possível: Multithreading Facilita expressão de atividades concorrentes e controle de disputas Integrado em linguagens de programação modernas (java, C#, C++.NET etc) Sistemas Operacionais 2 O modelo de processo (relembrando...) Multiprogramação com processo... é representado por: endereçamento: área p/ armazenamento da imagem do processo Estruturas t internos do (tabelas, descritor de processos etc) Contexto de execução: valores em memória (pilha, dados, ) recursos alocados e registradores internos (GPRs) em um instante t Um fluxo de controle por processo (thread) (monte) (código) 0 Sistemas Operacionais 3 2 n -1 (código) endereçamento (lógico) P 1 P 2 P n operacional física Sistemas Operacionais 4

2 Atividades concorrentes? E se fosse possível algo assim? Área de pilha End. retorno 5 fi 2 2 End. retorno end. variável n fat fj fk k E se quiséssemos calcular fatorial e fibonnaci ao mesmo tempo? 1 Aqui ainda NÃO está dito como criar os dois e. (A completar!!!) 1 End. retorno 5 fi fj fk k Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 E é possível... Basta ter s adicionais (virtuais) Exemplo de programação com threads (POSIX) (código) endereçamento (lógico) Virtual 1 P 1 Virtual 2 física Isso é a base do conceito de thread e programação multithreading #include <pthread.h> int g = 0; void do_it_1 (void *arg) { int i, n = *(int *)arg; for (i = 0; i < n; i++) g++; int main( int argc, char **argv) { pthread_t th1, th2; int n = 10; pthread_create( &th1, NULL, do_it_1, &n); pthread_create( &th2, NULL, do_it_2, &n); } pthread_join (th1, NULL); pthread_join (th2, NULL); void do_it_2 (void *arg) { exit(0); int i, n = *(int *)arg; } for (i = 0; i < n; i++) printf("%d\n", g); } Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Vários fluxos em um único processo: multithreading Estados de uma thread Um fluxo de instrução é implementado através do contador de programa () e de uma pilha () Thread(s) vive(m) dentro de um processo 1 Estruturas comuns compartilhadas Código 2 Descritor de processo Conceito de multithreading O objetivo principal é facilitar a expressão e o desenvolvimento de programas e tarefas 1 concorrentes 2 (código) endereçamento (lógico) Sistemas Operacionais 9 Apto (Ready) Executando (Running) Bloqueado (Blocked) Criação Obs: Apto Evento de E/S ou sincronização Dispatcher Preempção Cedência voluntária Bloqueado Executando Término Requisição de E/S ou sincronização Assim como em processos, a preempçao por tempo esgotado pressupõe existência e uso de interrupção de tempo Sistemas Operacionais 10 Implementação de threads Modelo N:1 Threads são implementadas através de estruturas de dados similares ao descritor de processo (B) Descritor de threads (Threads Control Block TCB) Menos complexa (leve) Na verdade, fazem parte do B Podem ser implementadas em dois níveis diferentes: usuário Threads em nível de usuário User level threads ou ainda process scope Todas tarefas de gerenciamento de threads são feitas pela aplicação Threads são implementadas por uma biblioteca que é ligada ao programa Interface de programação (API) para funções relacionadas com threads e.g; criação, sincronismo, término, etc O operacional não enxerga a presença das threads A troca de contexto entre threads é feita em modo usuário pelo escalonador ado embutido na biblioteca b Não necessita privilégios especiais Escalonamento depende da implementação Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12

4 Implementação modelo N:1 Vantagens e desvantagens usuário n n Biblioteca** Código Dd **Biblioteca: grosso modo, pode ser visto como um conjunto de funções que simula o comportamento de um operacional em uma máquina. É ligada ao programa do usuário. Biblioteca** operacional Vantagens: Sistema operacional divide o tempo do processador entre os processos e a biblioteca de threads divide o tempo do processo entre as threads Leve: sem interação/intervenção do operacional Desvantagens: Uma thread que realiza uma chamada de bloqueante leve ao bloqueio de todo o processo e.g.; operaçoes de entrada/saída Não explora paralelismo em máquinas multiprocessadoras/multicore Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Modelo 1:1 Implementação modelo 1:1 Threads em nível do kernel level threads ou ainda system scope Resolve desvantagens do modelo N:1 O operacional enxerga as threads Sistema operacional mantém informações sobre processos e sobre threads Troca de contexto necessita a intervenção do operacional O conceito de threads é considerado na implementação do operacional usuário Código Dd n n operacional Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16

5 Vantagens e desvantagens Modelo M:N Vantagens: Explora o paralelismo de máquinas multiprocessadoras (SMP) e multicore Facilita a sobreposição de processamento com operações de E/S Desvantagens: Implementação mais pesada que o modelo N:1 Abordagem que combina os modelos N:1 e 1:1 Oferece dois níveis de escalonamento Nível usuário: threads sobre unidade de escalonamento Nível : unidades de escalonamento sobre processador Dificuldade d é parametrizar M e N Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Implementação modelo M:N Vantagens da multiprogramação com multithreading usuário n n biblioteca Código Dd biblioteca operacional Desempenho: Tempo de criação/destruição de threads é inferior que tempo de um processo Chaveamento de contexto t entre threads é mais rápido que entre processos Permite a exploração do paralelismo real oferecido por máquinas com mais de processador (core)por um mesmo processo Comunicação das tarefas concorrentes As threads dividem o mesmo espaço de endereçamento o que permite a comunicação por memória compartilhada sem interação com o núcleo Portabilidade e curva de aprendizado Pi Primitivas ii de multithreading lih são integradas em linguagens de programação Sistemas Operacionais 19 Sistemas Operacionais 20

6 Processadores hyperthreaded Leituras complementares Simultaneous MultiThreading (SMT) Execução de várias threads simultaneamente Aproveita bolhas nos pipelines internos do processador Ponto de vista do operacional oferece um número de processadores lógicos (virtuais) s e threads são escalonadas nos processadores lógicos A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capítulo 2: seções a e R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani Sistemas Operacionais Editora Bookman Capítulo 4: seção 4.3 A. Silberchatz, P. Galvin, G. Gagne; Sistemas Operacionais com Java (7 a edição). Campus Capítulo 4 4 cores físicos Com HT habilitado: 8 cores (4x2) São lógicos!! Não vai 8x mais rápido Sistemas Operacionais 21 Sistemas Operacionais 22