PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
Vlákna
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Procesy a vlákna
 Program
 soubor definovaného formátu obsahující instrukce, data a další
informace potřebné k provedení daného úkolu
 Proces
 systémový objekt charakterizovaný svým paměťovým prostorem
a kontextem (paměť i některé další zdroje jsou přidělovány
procesům)
 Vlákno, také „sled“
 objekt, který vzniká v rámci procesu, je viditelný pouze uvnitř
procesu a je charakterizován svým stavem (CPU se přidělují
vláknům)
 Model – jen procesy (ne vlákna)
 proces: jednotka plánování činnosti i jednotka vlastnící
prostředky
 Model – procesy a vlákna
 proces: jednotka vlastnící zdroje
 vlákno: jednotka plánování činnosti
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Procesy a vlákna
 Každé vlákno si udržuje svůj vlastní
 zásobník
 PC (program counter)
 registry
 TCB (Thread Context Block)
 Vlákno může přistupovat k paměti a ostatním
zdrojům svého procesu
 zdroje procesu sdílí všechny vlákna jednoho procesu
 jakmile jedeno vlákno změní obsah (nelokální – mimo
zásobník) buňky, všechny ostatní vlákna (téhož
procesu) to vidí
 soubor otevřený jedním vláknem mají k dispozici
všechny ostatní vlákna (téhož procesu)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Procesy a vlákna
 Proč využít vlákna
 využití multiprocesorových strojů (vlákna jednoho procesu mohou
běžet na různých CPU)
 jednodušší programovaní
 typický příklad: jedno vlákno provádí uživatelem požadovaný úkol a
druhé vlákno překresluje obrazovku
 1:1
 UNIX Systém V, (MS-DOS)
• pojem vlákno neznámý, každé „vlákno“ je procesem s vlastním
adresovým prostorem a s vlastními prostředky
 1:M
 OS/2, Windows XP, Mach, …
• v rámci 1 procesu lze vytvořit více vláken
• proces je vlastníkem zdrojů (vlákna sdílejí zdroje procesu)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Procesy vs. vlákna
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Jedno/multivláknový OS
 Jednovláknový OS:
 nepodporuje koncept vláken (nezná pojem
vlákno)
 MS-DOS: 1 proces, 1 vlákno
 UNIX: n procesů, 1 vlákno / 1 proces
 Multivláknový OS:
 podporuje koncept více vláken v rámci
procesů
 Windows XP, Solaris, …
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
Výhody využití vláken
 Výhody
 vlákno se vytvoří rychleji než proces
 vlákno se ukončí rychleji než proces
 mezi vlákny se rychleji přepíná než mezi procesy
 jednodušší programování (jednodušší struktura programu)
 u multiprocesorových systémů může na různých procesorech
běžet více vláken jednoho procesu současně
 Příklady
 síťový souborový (nebo i jiný ) server
• musí vyřizovat řadu požadavků klientů
• pro vyřízení každého požadavku vytváří samostatné vlákno
(efektivnější než samostatný proces)
 1 vlákno zobrazuje menu a čte vstup od uživatele a současně 1
vlákno provádí příkazy uživatele
 překreslování obrazovky souběžně se zpracováním dat
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Problém konzistence
 Program se skládá z několika vláken, která běží
paralelně
 Výhody
 když vlákno čeká na ukončení I/O operace, může
běžet jiné vlákno téhož procesu, aniž by se přepínalo
mezi procesy (což je časově náročné)
 vlákna jednoho procesu sdílí paměť a deskriptory
otevřených souborů a mohou mezi sebou
komunikovat, aniž by k tomu potřebovaly služby jádra
(což by bylo pomalejší)
 Konzistence
 vlákna jedné aplikace se proto musí mezi sebou
synchronizovat, aby se zachovala konzistentnost dat
(musíme zabránit současné modifikaci stejných dat
dvěmi vlákny apod.)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
Příklad (problém konzistence)
 Situace:
 3 proměnné: A, B, C
 2 vlákna: T1, T2
 vlákno T1 počítá C = A+B
 vlákno T2 přesouvá hodnotu X z A do B (jakoby z účtu na účet)
 Představa o chování
 T2 dělá A = A-X a B = B+X
 T1 počítá konstantní C, tj. A + B se nezmění
 Ale jestliže
 T1 spočítá A+B
 po té co T2 udělá A = A-X
 ale dříve než co T2 udělá B = B+X
 pak T1 nezíská správný výsledek C = A+B
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
Stavy vláken
 Tři klíčové stavy vláken:
 běží
 připravený
 čekající
 Vlákna se (samostatně) neodkládají
 všechny vlákna jednoho procesu sdílejí stejný
adresový prostor
 Ukončení procesu ukončuje všechny vlákna
existující v rámci tohoto procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Vlákna na uživatelské úrovni
 User-Level Threads (ULT)
 Správa vláken se provádí prostřednictvím vláknové
knihovny („thread library“) na úrovni uživatelského /
aplikačního programu
 Jádro o jejich existenci neví
• přepojování mezi vlákny nepožaduje provádění funkcí jádra
• nepřepíná se ani kontext procesu ani režim procesoru
 Plánování přepínání vláken je specifické pro
konkrétní aplikaci
• aplikace si volí pro sebe nejvhodnější (např. plánovací)
algoritmus
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
Vlákna na uživatelské úrovni
 „Threads library“ obsahuje funkce pro
 vytváření a rušení vláken
 předávání zpráv a dat mezi vlákny
 plánování běhů vláken
 uchovávání a obnova kontextů vláken
 Co dělá jádro pro vlákna na uživatelské úrovni
 jádro neví o aktivitě vláken, proto manipuluje s celými procesy
 když některé vlákno zavolá službu jádra, je blokován celý proces
dokud se služba nesplní
 pro „thread library“ je takové vlákno ale stále ve stavu „běží“
 stavy vláken jsou na stavech procesu nezávislé
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Vlákna na uživatelské úrovni
 Výhody
 přepojování mezi vlákny nepožaduje provádění jádra (tj.vyšší
rychlost)
• nepřepíná se ani kontext ani režim procesoru
 plánování je specifické pro konkrétní aplikaci
• aplikace volí si pro sebe nejvhodnější algoritmus
 ULT mohou běžet pod kterýmkoliv OS
• není vyžadována podpora na úrovní jádra OS
 ULT potřebují uživatelskou knihovnu (ke slinkovaní s aplikací)
 Nevýhody
 většina volání služeb OS způsobí blokování celého procesu (tj.
všech vláken procesu)
 jádro může přidělovat procesor pouze procesům, dvě vlákna
stejného procesu nemohou běžet na dvou procesorech
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Vlákna na úrovni jádra
 Kernel-Level Threads (KLT)
 Správu vláken podporuje jádro, nepoužívá se „thread library“
 používá se API pro vláknové služby jádra
 informaci o kontextu procesů a vláken udržuje jádro
 přepojování mezi vlákny aktivuje jádro
 plánování na bázi vláken již v jádře OS
 Příklady
 OS/2
 Windows 95/98/NT/2000/XP
 Solaris
 Tru64 UNIX
 BeOS
 Linux
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Vlákna na úrovni jádra
 Výhody
 jádro může současně plánovat běh více váken
stejného procesu na více procesorech
 k blokování dochází na úrovni vlákna (není blokován
celý proces)
 I programy jádra mohou mít multivláknový charakter
 Nevýhody
 přepojování mezi vlákny stejného procesu
zprostředkovává jádro (tj. pomaleji)
 při přepnutí vlákna se 2x přepíná režim procesoru (tj.
režie navíc)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Kombinace vláken ULT/KLT
 Vlákna se vytvářejí v uživatelském prostoru
 Většina plánování a synchronizace se dělá v
uživatelském prostoru
 Programátor může nastavit počet vláken na
úrovni jádra
 Lze kombinovat přínosy oboru přístupů
 Např. OS Solaris <=8
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
Multivláknové modely
 n : 1
 více ULT se zobrazuje do 1 KLT
 používá se na systémech, které nepodporují KLT
 1 : 1
 každý ULT se zobrazuje do 1 KLT
 Windows 95/98/NT/2000/XP, OS/2
 n : m
 více ULT se může zobrazovat do více KLT
 OS může vytvořit dostatečný počet KLT
 Solaris 2, Windows NT/2000 s ThreadFiber package
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Model n:1
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
Model 1:1
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Model m:n
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Příklad: Solaris 2
 Proces
 uživatelský adresový prostor
 zásobník
 PCB (process control block)
 ULT
 OS je nevidí
 KLT
 jednotka pro přidělování času procesoru
 Lightweight processes (LWP)
 LWP podporuje 1 nebo více ULT a zobrazuje je do 1
KLT
 LWP – rozhraní pro paralelismus pro aplikace
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
Příklad: Solaris 2 (2)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Příklad: Win32
 Implementuje vlákna na úrovni jádra OS (implementace je
zdařilá, umožňuje mimo jiné paralelní běh vláken jednoho
procesu na různých procesorech)
 Služby OS
 CreateThread
 ExitThread
 GetExitCodeThread
 CreateRemoteThread (vytváří vlákno jiného procesu)
 SuspendThread
 ResumeThread
 GetProcessAffinityMask (běh vlákna na procesorech)
 SetProcessAffinityMask
 SetThreadIdealProcessor
 SwitchToThread (spusť jiný thread – je-li připraven)
 TlsAlloc, TlsFree, TlsSetValue, TlsGetValue (thread local
storage)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Příklad: Win32 (2)
 „A Win32®-based application consists of one or more processes. A
process, in the simplest terms, is an executing program. One or more
threads run in the context of the process. A thread is the basic unit to
which the operating system allocates processor time. A thread can
execute any part of the process code, including parts currently being
executed by another thread. A fiber is a unit of execution that must be
manually scheduled by the application. Fibers run in the context of the
threads that schedule them“
 Služby OS
 ConvertThreadToFiber
 CreateFiber
 DeleteFiber
 GetFiberData
 SwitchToFiber
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad: Linux – UNIX - POSIX
 Knihovna „pthreads“
 Služby knihovny
 pthread_create
 pthread_exit
 pthread_join
 pthread_detach
 pthread_attr_init
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Příklad: Linux
 Implementace POSIX threads
 LinuxThreads
• Odpovídá POSIX standardu IEEE 1003.1c až na ovladače signálů.
• Vlákna mají různá PID (Process Identifier)
• Není nadále vyvíjeno
 NTPL (Native POSIX Threads Library for Linux)
• Nahradilo LinuxThreads
• Lepší výkon
• Vyžaduje jádro řady 2.6
• Dnes součást knihovny GNU C
• Model 1:1
 NGPT (Next Generation POSIX Threads)
• Alternativa k NTPL, které se neprosadila
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní27
Příklad: Linux (2)
 Služby jádra OS
#include <sched.h>
int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack,int flags,
void *arg);
_syscall2(int, clone, int, flags, void *, child_stack);
 služba jádra sys_clone a knihovní funkce clone
 vytvoří vlákno, které sdílí (v rámci procesu) adresový
prostor, tabulku deskriptorů souborů, tabulku ovladačů
signálů, trasovací informace, process ID