Fundamentos de Sistemas Operacionais Aula 4: Programação Concorrente Diego Passos
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Processos Compostos por: Código (programa). Estado (memória, registradores). Em um sistema com multiprogramação: Vários processos residentes em memória. Várias aplicações rodam simultaneamente. "Processo é um programa em execução". Exemplo de um único programa que usa mais de um processo. Função fork().
Threads
Threads Similares a processos. "Processos leves". Definem uma "linha de execução" em um programa. Sequência de instruções a serem executadas. Diferença entre processo e thread: espaço de endereçamento. Processos diferentes têm espaços de endereçamento diferentes. Threads diferentes (de um mesmo processo) compartilham o mesmo espaço de endereçamento. Memória compartilhada.
Threads (mais) Toda thread pertence a um processo. O conceito de thread não existe sem o conceito de processo. Todo processo tem ao menos uma thread. Uma sequência de instruções a serem executadas.
Vantagens e Desvantagens Threads são mais "leves". Mudança de contexto entre duas threads do mesmo processo é rápida. Poucas informações de estado para salvar/restaurar. Threads (de um mesmo processo) compartilham memória. Comunicação é mais fácil que entre processos. Porém, uma thread pode interferir na execução da outra. Os erros em uma podem se propagar para as outras. Programas podem ser mais difíceis de depurar.
Programação Concorrente
Definição Utilização de mais de uma "linha de execução" em um mesmo programa. Vários processos para um único programa. e.g., utilizando a função fork(). Várias threads em um mesmo processo. Ou uma mistura dos dois. Exemplo: Servidor web tem um processo principal que espera conexões dos usuários. Para cada nova conexão, é criado um novo processo (ou thread). Processo (thread) principal volta a esperar por conexões.
Programa Paralelo vs. Sequencial Programa Sequencial: Uma única linha de execução. Um processo com uma thread. Programa Paralelo: Múltiplas linhas de execução. Vários processos ou threads. Outro nome para a Programação Concorrente.
Objetivos da Programação Concorrente Permite a separação lógica das funcionalidades de um programa. Espera por conexões. Atendimento aos clientes. Simplifica a escrita de alguns programas. Existem programas intrinsecamente paralelos. Melhora a utilização dos processadores modernos. Vários núcleos. Ambientes multiprocessados. Operações de E/S são sobrepostas com processamento.
Sobreposição de Operações de E/S Versão Sequencial Versão Paralela (Concorrente)
Desvantagens da Programação Concorrente Coordenação dos processos (threads) pode ser complexa. Em termos de programação. Erros "não-intuitivos" ocorrem. Principalmente com threads. É comum fazer suposições inválidas: e.g, processos executam na mesma "velocidade". Condições de erro são difíceis de reproduzir. Depuração de programas paralelos tende a ser mais difícil. Ordem de execução dos processos (threads) é imprevisível.
Tipos de Paralelismo Paralelismo Real: Ocorre apenas em máquinas multiprocessadas. Processos (threads) são executados realmente simultaneamente. Paralelismo aparente: Ocorre em maquinas monoprocessadas. Processos (threads) são executados concomitantemente.
Especificação de Paralelismo
Diferentes Representações Sintaxe de criação de um programa paralelo depende do sistema. Chamadas podem ser ligeiramente (ou extremamente) diferentes em SOs diferentes. Porém, existem tipos "gerais" de especificação de paralelismo.
Paralelismo Explícito Paralelismo é descrito explicitamente no programa. Três funcionalidades básicas: Criação de um processo (thread): create_process(). Encerramento de um processo (thread): exit(). Espera pelo encerramento de um processo (thread): wait_process().
Paralelismo Explícito (Exemplo) int main() { f1 = create_process(codigo_filho); f2 = create_process(codigo_filho); wait_process(f1); wait_process(f2); } return(0); void codigo_filho() { } printf("alguma coisa\n"); exit();
Paralelismo Implícito Programador apenas indica quais "regiões" são paralelizáveis. Compilador é responsável por criar os respectivos processos (threads). Dois comandos básicos: Parbegin (início da região paralela). Parend (fim da região paralela).
Paralelismo Implícito (Exemplo) int main() { } Parbegin codigo_filho(); codigo_filho(); Parend return(0); Função codigo_filho() é executada duas vezes. Mas por dois processos (threads) diferentes. void codigo_filho() { } printf("alguma coisa\n"); exit();
Paralelismo Implícito vs. Explícito A versão explícita é mais comum. Em geral, as chamadas de sistema são deste tipo. e.g., função fork(). Há algumas linguagens (e compiladores) que implementam o paralelismo implícito. Exemplo: biblioteca OpenMP. Paralelismo implícito é mais simples. Programador não se preocupa com como os processos (threads) são alocados. Paralelismo explícito é mais flexivel. Programador tem total controle sobre os processos (threads).
Grafo de Precedência Algumas vezes, é preciso garantir a ordem em que certos eventos ocorrem em um programa paralelo. Exemplo: Garantir que o primeiro processo filho só morra após o início do segundo processo filho. Nem sempre é fácil nas representações implícita e explícita. Envolve a utilização de comunicação entre os processos (threads) filhos.
Grafo de Precedência (Exemplo)
Compartilhamento de Recursos
Recursos Comuns Processos (threads) de um programa paralelo geralmente compartilham recursos. Variáveis. Arquivos. Sockets.... Estes recursos, em geral, estão ligados à comunicação entre processos (threads) do programa paralelo.
Compartilhamento de Memória Tipo mais comum de recurso compartilhado. Threads compartilham todo o espaço de endereçamento. Processos podem requisitar do SO uma área de memória compartilhada. Processos (threads) alteram o valor de variáveis compartilhadas para trocar informações. e.g., segundo processo filho pode alterar a variável inicio_filho_2 de 0 para 1 para informar iniciou seu processamento.
Produtor-Consumidor Aplicação comum em vários sistemas. Há processos (threads) produtores. Geram dados quaisquer. Há um processo (thread) consumidor. Pega dados dos produtores e realiza alguma operação. Exemplo: servidor impressão. Processos (threads) geram dados a serem impressos. Um único processo é responsável por coletar os dados e realizar a operação de E/S de impressão. Múltiplas impressões podem ser requisitadas simultaneamente.
Produtor-Consumidor (Funcionamento) Há uma região de memória compartilhada por todos. Spool de impressão. Em geral, é um Buffer Circular. Ao adicionar um novo elemento, produtor avança o ponteiro do próxima posição livre. Ao coletar um dado, consumidor avança ponteiro da próxima posição livre.
Região (Ou Seção) Crítica
Definição É um trecho de código de um programa. Especial, pois alguma manipulação de variável compartilhada acontece ali. Em outras palavras: É um trecho de um programa paralelo no qual existe acesso a variáveis compartilhadas entre dois ou mais processos (threads).
Importância da Região Crítica A ordem de execução dos processos (threads) é imprevisível. Acessos concorrentes podem causar problemas. Exemplo: Considere 'x' uma variável compartilhada por duas threads. Seu valor inicial é 0 Qual o valor final de 'x'? Thread 1: x = x + 1; Thread 2: x = x + 1;
Importância da Região Crítica (mais) O trecho executado pelas threads em assembly se torna: MOVE x, ACC ADD ACC, 1 MOVE ACC, x Suponha que a Thread 1 começa a execução, porém é interrompida imediatamente antes da segunda instrução. A Thread 2 começa sua execução, lendo o valor de 'x' da memória. Valor ainda é 0. Thread 1 foi interrompida antes que pudesse armazenar em memória o novo valor de 'x'. Ao final das execuções, x = 1.
Outro Exemplo: Produtor-Consumidor Suponha dois produtores simultâneos. P1 insere "Dado 3" na próxima posição livre. Mas é interrompido antes de atualizar o ponteiro. P2 executa e insere "Dado 4" na posição antiga do ponteiro. "Dado 3" é sobreescrito.
Condição de Corrida Problema decorrente da execução simultânea de múltiplos processos na seção crítica. Resultados inesperados (e diferentes) ocorrem. O resultado depende da ordem de execução dos processos (threads). Operações não são atômicas. Como solucionar? Evitar que processos (threads) diferentes possam estar na região crítica simultaneamente. Conhecido como Exclusão Mútua. Tornar operações sobre recursos compartilhados atômicas.
Operação Atômica Operação que não pode ser interrompida. Exemplo: a execução de uma única instrução de máquina é atômica. Não há como interromper a operação uma vez que ela tenha sido iniciada. Se a manipulação de uma região compartilhada de memória é atômica, não há condição de corrida.
Revisão
Para Lembrar Definição de Programação Concorrente. Tipos de paralelismo. Real, aparente. Representações implícita e explícita de paralelismo. Razões para adoção de paralelismo. Ordem de execução de um programa paralelo é imprevisível. Não se pode fazer suposições. Compartilhamento de recursos. Recursos típicos. Razões para compartilhar. O que é região (seção) crítica é qual a sua importância. O que é uma condição de corrida. O que é exclusão mútua. O que é uma operação atômica.