Systemy operacyjne

Wykład nr 5:

Wątki

Piotr Bilski

Pojęcie wątku (procesu lekkiego)

• Jest to fragment procesu wykonywany w jego przestrzeni adresowej

• Może istnieć wiele wątków wykonywanych równolegle w ramach jednego procesu

• Wątki muszą być związane z niezależnymi fragmentami kodu

• Wieloprocesory i procesory wielordzeniowe zwiększają wydajność procesów wielowątkowych

• Udostępniane są przez biblioteki wątków (Pthreads, Wind32)

Jedno- i wielowątkowość

Kod Dane Pliki

Rejestry Stos

wątek

Kod Dane Pliki

Rejestry Rejestry Rejestry

Stos Stos Stos

wątek wątek wątek

Proces jednowątkowy Proces wielowątkowy

Zalety wątków

• Utrudnione blokowanie procesu

• Łatwe dzielenie zasobów

• Tworzenie i likwidacja wątków jest tania

• Wsparcie ze strony architektur wieloprocesorowych

Wątki użytkownika i jądra

Biblioteka wątków

wątek

jądro

wątek

poziom użytkownika

poziom jądra

Wątki użytkownika

jądro

wątek wątek

aplikacja aplikacja

poziom użytkownika

poziom jądra

Wątki jądra

Modele wielowątkowości

• Model „wiele na jeden” (green threads – Solaris 2)

• Model „jeden na jeden” (Windows NT, Windows 2000, OS/2)

• Model „wiele na wiele” (Solaris 2, HP-UX)

Model „wiele na jeden”

jądro

Wątek jądra

wątek użytkownika

poziom użytkownika

poziom jądra

wątek użytkownika wątek

użytkownika

Model „jeden na jeden”

jądro

Wątek jądra

wątek użytkownika

poziom użytkownika

poziom jądra

wątek użytkownika wątek

użytkownika

Wątek jądra Wątek jądra

Model „wiele na wiele”

jądro

Wątek jądra

wątek użytkownika

poziom użytkownika

poziom jądra

wątek użytkownika wątek

użytkownika

Wątek jądra Wątek jądra

Wątki a wywołania systemowe

• Tworzenie wątku – fork i exec

• Kasowanie wątku

• Obsługa sygnałów

• Pule wątków

• Dane charakterystyczne wątku

Kasowanie wątku

• Operacja likwidacji wątku przed czasem• Likwidowany wątek to „wątek docelowy”

(target thread)• Dwa rodzaje likwidacji wątku:

– asynchroniczna (wątek docelowy likwidowany natychmiast)

– odroczona (opóźniona, uporządkowana likwidacja) – tylko w punktach anulowania

• Problem zwalniania zasobów przez likwidowane wątki

Obsługa sygnałów i APC

• Sygnał (UNIX) lub APC (Windows) służy do poinformowaniu o wystąpieniu zdarzenia (np. dzielenie przez zero)

• Po wygenerowaniu dostarczany jest do procesu

• Musi być obsłużony!

• Istnieją domyślne procedury obsługi sygnałów oraz procedury użytkownika

Sygnały synchroniczne i asynchroniczne

• Sygnał synchroniczny

proces

jądro

działanie sygnał

proces1

jądro

działaniesygnał

proces2

• Sygnał asynchroniczny

Procedury obsługi sygnałów

• Procedura domyślna – wykonywana, gdy nic innego nie zostało zdefiniowane

• Procedura użytkownika – zdefiniowana, gdy proces ma wykonać niestandardową operację w odpowiedzi na sygnał

• Który wątek procesu ma odebrać sygnał:– Wątek powodujący wygenerowanie sygnału– Wszystkie wątki– Wybrane wątki– Wątek dedykowany do tego celu

Szczegóły obsługi sygnałów

• Sygnał synchroniczny musi być dostarczony do wątku, który go spowodował

• Pewne sygnały asynchroniczne muszą być odebrane przez wszystkie wątki (np. zakończenie procesu)

• Możliwe jest blokowanie odebrania sygnału przez wątek

• Sygnał jest obsługiwany tylko raz - na ogół przez pierwszy wątek

Pule wątków

• Z góry określona grupa wątków możliwych do wykorzystania przez system

• Wątki te są tworzone przy starcie systemu i mogą być wielokrotnie użyte przez różne procesy

• Problem ustalenia potrzebnej liczby wątków (kryteria – liczba procesorów, dostępna pamięć, spodziewana liczba wątków klienckich)

• Rozwiązanie: dynamiczne pule wątków

P-wątki

• Jest to standard POSIX definiujący API do tworzenia i obsługi wątków

• Sposób implementacji wątków nie jest narzucony

• Plik nagłówkowy – pthread.h

• Standard umożliwia tworzenie, usuwanie oraz operacje na atrybutach wątków

Wątki w systemie Solaris

• Udostępniane na poziomie jądra i użytkownika

• Implementują standard P-wątków

• Istnieją wątki (LWP) na poziomie pośrednim pomiędzy wątkami użytkownika i jądra. Każdy LWP ma wątek jądra

Realizacja wątków w systemie Solaris

CPU CPU CPU CPU CPU

W2 W3 W3W1 W1 W2

zadanie1 zadanie2 zadanie3

jądro

K1 K2 K3 K4 K5 K6

W1

wątek związany

Szczegóły implementacji wątków w systemie Solaris

• Wątki jądra są planowane przez planistę

• Blokada wątku jądra umożliwia procesorowi przejście do innego wątku

• Biblioteka wątków utrzymuje procesy lekkie dynamicznie

• Gdy LWP są bezczynne przez określony czas, usuwa się je

Informacje o wątkach w systemie Solaris

• Wątek użytkownika: ID, rejestry ( w tym PC, SP), priorytet

• Proces lekki: zbiór rejestrów, pamięć, statystyki – działa w przestrzeni jądra!

• Watek jądra: rejestry, wskaźnik do procesu lekkiego, priorytet, stos

Struktura procesu w systemie Solaris

wskaźnik Stan procesu

Numer procesu

Mapa pamięci

Priorytet

Wykaz otwartych plików

LWP1 LWP2

Wątki w systemie Windows

• Udostępniane przez interfejs Win32 API

• Implementacja odwzorowania „jeden-na-jeden” oraz „wiele na wiele” przy pomocy biblioteki włókien

• Składowe wątku: ID, zbiór rejestrów, stos użytkownika, stos jądrowy, obszar pamięci prywatnej (kontekst wątku)

Wątki w systemie Windows (c.d.)

• Struktury danych:– ETHREAD – blok wykonawczy wątku

(wskaźnik do procesu macierzystego, adres procedury, którą wątek rozpoczyna działanie)

– KTHREAD – blok jądrowy wątku (stos jądra i wskaźnik do bloku środowiska wątku)

– TEB – blok środowiska wątku (stos trybu użytkownika, lokalna pamięć wątku) – dostępny w trybie użytkownika

• ETHREAD i KTHREAD – jądro, TEB – przestrzeń użytkownika

Wątki Javy

• Ze względu na obecność JVM, wątki mają postać hybrydową

• Wspierane przez klasę Thread

• Dwie podstawowe metody: start oraz run

• Brak informacji o odwzorowaniu wątków Javy na wątki systemu operacyjnego (zależne od systemu)