1/29
PB153
OPERAČNÍ SYSTÉMY
A JEJICH ROZHRANÍ
Vlákna
06
2/29
 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
PROCESY A VLÁKNA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
3/29
 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 jedno 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)
PROCESY A VLÁKNA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
4/29
 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)
PROCESY A VLÁKNA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
5/29
PROCESY vs. VLÁKNA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
single-threaded process multithreaded process
code
registers
data files
stack
code data files
registers
stackstackstack
registers registers
thread thread
6/29
 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, …
JEDNO/MULTIVLÁKNOVÝ OS
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
7/29
 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
VÝHODY VYUŽITÍ VLÁKEN
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
8/29
 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.)
PROBLÉM KONZISTENCE
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
9/29
 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
PŘÍKLAD (PROBLÉM KONZISTENCE)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
10/29
ANIMACE PROBLÉMU KONZISTENCE
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
11/29
 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
STAVY VLÁKEN
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
12/29
 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
VLÁKNA NA UŽIVATELSKÉ ÚROVNI
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
13/29
 „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
VLÁKNA NA UŽIVATELSKÉ ÚROVNI
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
14/29
 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
VLÁKNA NA UŽIVATELSKÉ ÚROVNI
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
15/29
 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/7/8
● Solaris
● Tru64 UNIX
● BeOS
● Linux
VLÁKNA NA ÚROVNI JÁDRA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
16/29
 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)
VLÁKNA NA ÚROVNI JÁDRA
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
17/29
 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
KOMBINACE VLÁKEN ULT/KLT
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
18/29
 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/7/8, 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
MULTIVLÁKNOVÉ MODELY
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
19/29
MODEL n:1
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
k
user thread
kernel thread
20/29
MODEL 1:1
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
k k k k
user
thread
kernel
thread
21/29
MODEL m:n
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
k
user
thread
k k
kernel
thread
22/29
 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
PŘÍKLAD: SOLARIS 2
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
23/29
PŘÍKLAD: SOLARIS 2 (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
task 1 task 2 task 3
CPU
kernel
kernel
thread
user-level
thread
lightweight
process
24/29
 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)
PŘÍKLAD: WIN32
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
25/29
 „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
PŘÍKLAD: WIN32 (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
26/29
 Knihovna „pthreads“
 Služby knihovny
● pthread_create
● pthread_exit
● pthread_join
● pthread_detach
● pthread_attr_init
PŘÍKLAD: LINUX – UNIX - POSIX
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
27/29
 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
PŘÍKLAD: LINUX
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
28/29
 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
PŘÍKLAD: LINUX (2)
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ
29/29
Výukovou pomůcku zpracovalo
Servisní středisko pro e-learning na MU
http://is.muni.cz/stech/
PB 153 OPERAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH ROZHRANÍ