Threads

Eduardo Ferreira dos Santos

Ciência da Computação

Centro Universitário de Brasília � UniCEUB

Março, 2017

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Sumário

1 Multiprogramação

2 Escalonamento

3 Threads

4 Concorrência

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Multiprogramação

1 Multiprogramação

2 Escalonamento

3 Threads

4 Concorrência

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Multiprogramação

Computadores modernos

Em computadores modernos, algumas características dos processos:

Várias tarefas ao mesmo tempo;Cada instante um programa;Cada segundo vários programas;pseudoparalelismo.

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Multiprogramação

Multiprogramação

Figura 1.1: (a) Multiprogramação para quatro programas (b) Modelo conceitualde quatro processos sequenciais independentes (c) Somente um programa estáativo a cada momento [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Multiprogramação

Estados dos processos

Durante o ciclo de vida de um processo ele passa por diferentes estados.Em sistemas Unix [Guarezi and Silva, 2010] são:

run Está sendo executado no processador;

ready ou executável Dispõe de todos os recursos que precisa e está prontopara ser executado;

sleep ou dormente Bloqueado à espera de algum recurso, e só pode serdesbloqueado se receber um sinal de outro processo;

zumbi Caso cada vez mais raro, onde um processo é criado por umprograma, que por sua vez é �nalizado antes de receber oresultado do processo;

parado Recebeu ordem do administrador para interromper aexecução. Será reiniciado se receber um sinal de continuação(CONT).

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Multiprogramação

Estados dos processos (Grá�co)

Figura 1.2: Estados dos processos [Chagas, 2016]

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Multiprogramação

Concorrência

Paradigma: controlar/restringir o acesso ao recurso em determinadoespaço de tempo;

O controle de acesso aos recursos é realizado através de eventos;

Eventos inesperados pode causar um desvio inesperado no �uxo deexecução.

De�nição [Chagas, 2016]:1 O programa perde o uso do processador;2 O programa retorna para continuar o processamento;3 O estado do programa deve ser idêntico ao do momento em que foi

interrompido.

O programa continua a execução exatemente na instrução seguinte.

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Multiprogramação

Troca de Contexto

Figura 1.3: Troca de Contexto [FARINES and MELO, 2000]

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Multiprogramação

Programação concorrente

Na programação concorrente existe mais de uma tarefa sendoexecutada ao mesmo tempo. Ex.: Fatorial

No caso de múltiplas tarefas é necessário haver comunicação entreelas.

Memória compartilhada As tarefas compartilham área de memória;

Troca de mensagens Sinais trocados entre processos.

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Escalonamento

1 Multiprogramação

2 Escalonamento

3 Threads

4 Concorrência

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Escalonamento

Conceitos

Objetivo: maximizar a utilização de CPU em programaçãoconcorrente;

O escalonador é o mecanismo que seleciona um dos processosdisponíveis na �la de pronto para ir à execução;

Troca de contexto entre os processos;

Organização da �la de prioridades.

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Escalonamento

Conceito de escalonador

Figura 2.1: O nível mais baixo de um sistema operacional estruturado emprocessos controla interrupções e escalonamento. Acima desse nível estãoprocessos sequenciais. [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Escalonamento

Escalonamento

Figura 2.2: Descrição do escalonamento [Chagas, 2016]14 / 43

Escalonamento

Troca de contexto

Figura 2.3: Organização da �la de pronto [Galvin et al., 2013]

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Escalonamento

Escalonadores

Short-term scheduler Seleciona os processos que vão para a CPU

Algumas vezes o único escalonador disponível;Bastante utilizado, ou seja, precisa ser rápido.

Long-term scheduler Seleciona os processos que devem ir à �la de pronto

Não é tão utilizado (menos frequente);Controla o grau de multiprogramação.

Os processos podem ser descritos como:

I/O-bound Gasta mais tempo realizando operações de I/O do quecomputações;

CPU-bound Mais tempo realizando computações.

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Threads

1 Multiprogramação

2 Escalonamento

3 Threads

4 Concorrência

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Threads

De�nições

Threads são processos que compartilham espaço de endereçamento edados;

São criados e destruídos de forma mais rápida (até 100x)[Tanenbaum and Machado Filho, 1995];

Permitem que atividades se sobreponham se houver muita E/S;

Muito úteis em sistemas com múltiplas CPU's;

Processos sequencias e implementação de paralelismo;

IMPORTANTE: não representam a única solução para o problemada concorrência.

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Threads

Exemplo 1

Figura 3.1: Processador de textos com três threads.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Exemplo 2

Figura 3.2: Software servidor Web multithread.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Implementação

Figura 3.3: Uma implementação da Figura 20 do Exemplo 2. (a) Threaddespachante (b) Thread operária [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Processos x Threads

Três formas diferentes de construir um servidor[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]:

Threads Paralelismo, chamadas de sistema bloqueantes;

Monothread Não paralelismo, chamadas de sistema bloqueantes;

Máquina de estados Paralelismo, chamadas não bloqueantes, interrupções

Mais observações sobre o tema no artigo �O paradigma c10k�1

1Disponível em http://www.eduardosan.com/2009/07/30/o-paradigma-c10k/22 / 43

Threads

Modelo de thread

Modelo cla±sico de threads: multithread x monothread;

Threads distintos em um processo não são tão independentes quantoprocessos distintos;

Não há proteção entre threads:

Impossível;Não é necessário;Devem cooperar e não competir.

Cada thread tem sua pilha que armazena rotinas chamadas que aindanão retornaram.

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Threads

Single and multiple threads

Figura 3.4: (a) Três processos, cada um com uma thread (b) Um processo comtrês threads [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Threads clássicas

Figura 3.5: A primeira coluna lista alguns itens compartilhados por todas asthreads em um processo. A segunda lista alguns itens especí�cos a cada thread.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Pilhas

Figura 3.6: Cada thread tem sua própria pilha.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Threads POSIX

Pthreads = Padrão de threads de�nidos pelo padrão IEEE 1003.1c

Figura 3.7: Chamadas de pthreads. [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]

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Threads

Exemplo de pthreads

Figura 3.8: Exemplo de programa usando pthreds.[Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 28 / 43

Concorrência

1 Multiprogramação

2 Escalonamento

3 Threads

4 Concorrência

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Concorrência

Conceitos

Na programação concorrente existe mais de uma tarefa sendoexecutado ao mesmo tempo. Ex.: Fatorial

No caso de múltiplas tarefas é necessário haver comunicação entreelas.

Memória compartilhada As tarefas compartilham área de memória;

Troca de mensagens Sinais trocados entre processos.

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Concorrência

Comunicação entre processos

Gerência de recursos de memória compartilhada: condição de corrida

Exclusão mútua;Semáforo;Monitor.

Comunicação por troca de mensagens: deadlocks

Leitura assíncrona;Método rendezvous.

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Concorrência

Condição de corrida

Situações onde dois ou mais processos estão acessando dados

compartilhados, e o resultado �nal do processamento depende de

quem roda quando.

Figura 4.1: Exemplo da condição de corrida

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Concorrência

Solução para condição de corrida

Uma boa solução para a condição de corrida requer quatro condições[Favacho, 2009]:

1 Dois ou mais processos não podem estar simultaneamente dentro desuas regiões críticas correspondentes;

2 Nenhuma consideração pode ser feita a respeito da velocidade relativados processos, ou a respeito do número de processadores disponíveis nosistema;

3 Nenhum processo que esteja executando fora de sua região crítica podebloquear a execução de outro processo;

4 Nenhum processo pode ser obrigado a esperar inde�nidamente paraentrar em sua região crítica.

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Concorrência

Exclusão mútua [Chagas, 2016]

Solução: impedir que mais de um processo acesse o dado ao mesmotempo.Deve ser executada somente quando um dos processos estiveracessando o recurso compartilhado;A parte do código onde o acesso ao recurso é feito é chamada deregião crítica.

Figura 4.2: Região crítica34 / 43

Concorrência

Soluções para exclusão mutua I

Inibição das interrupções Inibir as interrupções de cada processo logo apóso ingresso na região crítica, habilitando-as novamente apósdeixá-las.

Desabilitar interrupções deve ser uma atribuição dokernel;Interferir no kernel pode não ser uma boa ideia.

Variáveis de travamento (locks) Utilização de variável única compartilhada(lock) que pode assumir 0 ou 1.

Se dois processos chegam ao mesmo tempo?Condição de corrida.

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Concorrência

Soluções para exclusão mutua II

Chaveamento obrigatório Utiliza a variável inteira turn

[Tanenbaum and Machado Filho, 1995].

A variável turn indica a vez de quem é de entrar na região crítica;

Se um dos processos for mais lento que o outro requer a soluçãoestritamente alternada;

Espera ocupada: teste contínuo do valor esperando por uma mudança.

Listing 1: awh i l e (TRUE) {

wh i l e ( t u rn !=0) /∗ ç l a o ∗/c r i t i c a l _ r e g i o n ( ) ;t u rn = 1 ;

5 n on_c r i t i c a l_ r e g i o n ( ) ;}

Listing 2: bwh i l e (TRUE) {

wh i l e ( t u rn !=1) /∗ ç l a o ∗/c r i t i c a l _ r e g i o n ( ) ;t u rn = 0 ;

5 n on_c r i t i c a l_ r e g i o n ( ) ;}

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Concorrência

Problema do produtor-consumidor

Dois processos compartilham um bu�er de tamanho �xo;

Um põe a informação dentro do bu�er: produtor;

Outro retira a informação do bu�er: consumidor;

Problema: produtor quer colocar um item no bu�er, mas já está cheio;

Solução: colocar o produtor para dormir (sleep) e só acordar quando oconsumidor remover um ou mais itens;

Grande possibilidade de gerar condição de corrida: perda do envio desinal para acordar (wakeup) quando o processo ainda não estádormindo.

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Concorrência

Semáforos [Favacho, 2009]

Baseado em um tipo de variável que possui dois estados: UP eDOWN.

1 O semáforo �ca associado a um recurso compartilhado;2 Se o valor da variável semáforo for diferente de zero, nenhum processo

está utilizando o recurso; caso contrário,o processo �ca impedido doacesso;

3 Sempre que deseja entrar em sua região crítica, o processo executauma instrução DOWN;

4 Se o semáforo for maior que 0, este é decrementado de 1, e o processoque solicitou a operação pode executar sua região crítica;

5 Entretanto, se uma instrução DOWN é executada em um semáforocujo valor seja igual a 0, o processo que solicitou a operação �cará noestado de espera;

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Concorrência

Semáforos (cont.) [Favacho, 2009]

6 Além disso, o processo que está acessando o recurso, ao sair de suaregião crítica, executa uma instrução UP, incrementando o semáforode 1 e liberando o acesso ao recurso;

7 A veri�cação do valor do semáforo, a modi�cação do seu valor e,eventualmente a colocação do processo para dormir são operaçõesatômicas;

8 Operações atômicas são únicas e indivisíveis;

9 Os semáforos aplicados ao problema da exclusão mútua são chamadosde mutex (mutual exclusion) ou binários, por apenas assumirem osvalores 0 e 1.

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Concorrência

Implementação [Favacho, 2009]

#d e f i n e N 100t y p e d e f i n t semaphoresemaphore mutex = 1 ; /∗ c o n t r o l a ã r e g i o í c r t i c a ∗/semaphore empty = N; /∗ c o n t r o l a çõ p o s i e s v a z i a s ∗/

5 semaphore f u l l = 0 ; /∗ c o n t r o l a çõ p o s i e s ocupadas ∗/

v o i d p roduce r ( v o i d ) {wh i l e (TRUE) {

i tem = produce_item ( ) ;down (&empty ) ;

5 down (& mutex ) ;i n s e r t_ i t em ( i tem ) ; /∗ R_c r i t i c a

∗/up(&mutex ) ;up(& f u l l ) ;

}10 }

v o i d consumer ( v o i d ) {wh i l e (TRUE) {

down (& f u l l ) ;down (& mutex ) ;

5 i tem = remove_item ( ) ; /∗ R_cr ít i c a ∗/

up(&mutex ) ;up(&empty ) ;consume_item ( i tem ) ;

}10 }

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Concorrência

OBRIGADO!!!

PERGUNTAS???

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Concorrência

Chagas, F. (2016).Notas de aula do prof. fernando chagas.

FARINES, J. M. and MELO, R. (2000).Sistemas de Tempo Real, volume 1.IME-USP.

Favacho, A. (2009).Notas de aula da Profa. Aletéia Favacho.

Galvin, P. B., Gagne, G., and Silberschatz, A. (2013).Operating system concepts.John Wiley & Sons, Inc.

Guarezi, D. J. and Silva, E. B. (2010).Processos em windows e unix.Disponível em:http://www.inf.ufsc.br/∼magro/PROCESSOS%20EM%20WINDOWS%20E%20UNIX_001.docAcessado em 28/01/2011.

Tanenbaum, A. S. and Machado Filho, N. (1995).42 / 43

Concorrência

Sistemas operacionais modernos, volume 3.Prentice-Hall.

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