Redes de Computadores. Fundamentos de Sistemas Operacionais - 2º Período
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- Tânia Capistrano Santos
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1 Redes de Computadores Fundamentos de Sistemas Operacionais - 2º Período
2 PARTE II: PROCESSOS E THREADS SUMÁRIO 6. THREAD: 6.1 Introdução; 6.2 Ambiente Monothread; 6.3 Ambiente Multithread; 6.4 Arquitetura e Implementação; 6.5 Modelos de Programação.
3 6.1 Introdução Até o final da década de 1970, os sistemas operacionais suportavam apenas processos com um único thread (monothread). A partir do conceito de múltiplos threads (multithread) é possível projetar e implementar aplicações concorrentes de forma eficiente. Existem diferentes modelos para a implementação de threads em um SO, onde desempenho, flexibilidade e custo devem ser avaliados. Atualmente, o conceito de multithread pode ser encontrado em diversos SOs, em função do aumento de popularidade dos sistemas com múltiplos processadores, do modelo cliente-servidor e dos sistemas distribuídos.
4 6.2 Ambiente Monothread Neste ambiente, um processo suporta apenas um programa no seu espaço de endereçamento. Dessa forma, as aplicações concorrentes são implementadas apenas com o uso de múltiplos processos independentes ou subprocessos. Problemas: O uso de processos no desenvolvimento de aplicações concorrentes demanda consumo de diversos recursos do sistema; (consumindo tempo do processador para alocação e desalocação destes recursos) Cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento, tornando a comunicação entre processos difícil e lenta (uso de pipes, sinais, troca de mensagens, etc...).
5 6.2 Ambiente Monothread Subprocessos Processos Independentes
6 6.2 Ambiente Monothread Thread Thread Thread
7 6.3 Ambiente Multithread Neste ambiente, com múltiplos threads, não existe a ideia de programas associados a processos, mas, sim, a threads. Um thread pode ser definido como uma sub-rotina de um programa que pode ser executada de forma assíncrona, ou seja, concorrentemente ao programa chamador. Threads compartilham o processador da mesma maneira que processos e passam pelas mesmas mudanças de estado (espera, pronto e execução). Dentro de um mesmo processo, threads compartilham o mesmo contexto de software e espaço de endereçamento com os demais threads, porém cada thread possui seu contexto de hardware individual.
8 Contexto de software Capítulo 6 - Thread 6.3 Ambiente Multithread Contexto de hardware Contexto de hardware Contexto de hardware Thread 1 Thread 2 Espaço de endereçamento Thread 3
9 ... Contexto de Hardware Contexto de Hardware Contexto de Hardware... Capítulo 6 - Thread 6.3 Ambiente Multithread Processo Espaço de endereçamento Variáveis Programa Principal Thread_1 PC SP Call Sub_1 Call Sub_2 Fim Sub_1 Thread_2 PC SP Ret Sub_2 Thread_3 PC SP Ret
10 6.3 Ambiente Multithread Threads são implementados através de uma estrutura de dados, denominada bloco de controle do thread (Thread Control Block - TCB). O TCB armazena, além do contexto do hardware, mais algumas informações relacionadas ao thread. Em um ambiente monothread, o processo é ao mesmo tempo a unidade de alocação de recursos e a unidade de escalonamento. Em um ambiente multithread, a unidade de alocação de recursos é o processo e cada thread representa uma unidade de escalonamento independente.
11 6.3 Ambiente Multithread A grande diferença entre aplicações monothread e multithread está no uso do espaço de endereçamento. Programas concorrentes com múltiplos threads são mais rápidos do que implementados com múltiplos processos. Vantagens: Operações de criação, troca de contexto e eliminação dos threads geram menor overhead; (vide tabela no próximo slide) Comunicação entre threads pode ser realizada de forma rápida e eficiente; (uso do espaço de endereçamento compartilhado) Podem compartilhar facilmente outros recursos em um mesmo processo. (como temporizadores, sinais, atributos de segurança, etc...)
12 6.3 Ambiente Multithread Implementação Tempo de criação (µs) Tempo de sincronização (µs) Processo Processo Lightweight* Thread Latência de processos e threads (Vahalia, 1996) * Processo que compartilha o mesmo espaço de endereçamento
13 6.3 Ambiente Multithread Em algumas aplicações, a utilização de threads pode melhorar o desempenho da aplicação apenas executando tarefas em background. Thread de entrada Aplicações como editores de texto, planilhas, aplicativos gráficos e processadores de imagens são especialmente beneficiadas quando desenvolvidas com base em threads. Thread de exibição Buffer Thread de gravação
14 6.3 Ambiente Multithread Em ambientes cliente-servidor, threads são essenciais para solicitações de serviços remotos. Em um ambiente multithread, um thread pode solicitar o serviço remoto, enquanto a aplicação pode continuar realizando outras atividades. Para o processo que atende a solicitação, múltiplos threads permitem que diversos pedidos sejam atendidos simultaneamente. O núcleo do sistema também pode ser implementado em um ambiente multithread. (como na arquitetura microkernel)
15 6.3 Ambiente Multithread Processo servidor Solicitações Thread Thread Thread Processo cliente Processo cliente Processo cliente
16 6.4 Arquitetura e Implementação Threads podem ser oferecidos por uma biblioteca de rotinas fora do núcleo do SO (modo usuário), pelo próprio núcleo do sistema (modo kernel), por uma combinação de ambos (modo híbrido) ou por um modelo conhecido como scheduler activations.
17 6.4.1 Threads em Modo Usuário TMU são implementados pela aplicação e não pelo SO. Para isso, deve existir uma biblioteca de rotinas que possibilite à aplicação realizar tarefas como criação/eliminação de threads, troca de mensagens e escalonamento. Vantagens: possibilidade de implementar aplicações multithreads em SOs que não suportam threads. São rápidos por dispensarem acessos ao kernel. Problemas: Tratamento individual de sinais; O SO gerencia cada processo como se existisse apenas um único thread; Em ambientes com múltiplos processadores, não é possível que múltiplos threads de um processo possam ser executados simultaneamente.
18 Thread 0 Thread 1 Thread 2 Thread 3 Thread 4 Capítulo 6 - Thread Threads em Modo Usuário Modo usuário Biblioteca Kernel Modo kernel
19 6.4.2 Threads em Modo Kernel TMK são implementados diretamente pelo núcleo do SO, através de chamadas a rotinas do sistema que oferecem todas as funções de gerenciamento e sincronização. Problema para pacotes em modo kernel é o seu baixo desempenho. Pacotes em modo kernel utilizam chamadas a rotinas do sistema e, consequentemente, várias mudanças no modo de acesso.
20 Thread 0 Thread 1 Thread 2 Thread 3 Thread 4 Capítulo 6 - Thread Threads em Modo Kernel Modo usuário Kernel Modo kernel
21 6.4.3 Threads em Modo Híbrido Combina as vantagens de threads implementados em modo usuário (TMU) e threads em modo kernel (TMK). Um processo pode ter vários TMKs e, por sua vez, um TMK pode ter vários TMUs. O programador desenvolve a aplicação em termos de TMUs e especifica quantos TMKs estão associados ao processo. Os TMUs são mapeados em TMK enquanto o processo está sendo executado. O modo híbrido, apesar da maior flexibilidade, apresenta problemas herdados de ambas as implementações.
22 TMU 0 TMU 1 TMU 2 TMU 3 TMU 4 TMU 5 Capítulo 6 - Thread Threads em Modo Híbrido Modo usuário Biblioteca TMK 0 TMK 1 TMK 2 TMK 3 Kernel Modo kernel
23 6.4.4 Scheduler Activations Os problemas apresentados no pacote de threads em modo híbrido existem devido à falta de comunicação entre os threads em modo usuário e em modo kernel. A estrutura de dados chamada scheduler activations combina o melhor das duas arquiteturas, realizando a troca informações do núcleo do sistema com a biblioteca de threads. A maneira de alcançar um melhor desempenho é evitar as mudanças de modos de acesso desnecessárias (usuário-kernel-usuário). Cada camada (biblioteca e kernel) implementa seu escalonamento de forma independente, porém trocando informações quando necessário.
24 Thread 0 Thread 1 Thread 2 Thread 3 Thread 4 Capítulo 6 - Thread Scheduler Activations Modo usuário Biblioteca Kernel Modo kernel
25 6.5 Programação Multithread O conjunto de rotinas disponíveis para que uma aplicação utilize as facilidades dos threads é chamado de pacotes de threads. O desenvolvimento de aplicações multithread exige que a comunicação e o compartilhamento de recursos entre os diversos threads sejam feitos de forma sincronizada. Um fator importante em aplicações multithread é o número total de threads e a forma como são criados e eliminados. Para obter os benefícios do uso de threads, uma aplicação deve permitir que partes do seu código sejam executadas concorrentemente de forma independente.
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