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Marco Lapegna » 6.I Thread


Sistemi operativi

I Thread

Esempio: come è fatto un word processor

Molte azioni contemporanee e indipendenti (input, tabulazione, correzione ortografica, memorizzazione, … ) sullo stesso insieme di dati!!

Schema esplicativo (word processor)

Schema esplicativo (word processor)


Soluzioni

1: Più processi che comunicano attraverso una memoria condivisa

  • overhead per la creazione di numerosi processi
  • overhead per la gestione della memoria comune

2: Un solo processo con “stringhe di esecuzioni” indipendenti che operano sullo stesso spazio di indirizzamento
-> Stringhe di esecuzione = threads

Definizione di Threads

Nei moderni S.O. un thread (o lightweight process, LWP) è spesso l’unità di base di utilizzo della CPU e consiste di:

  • Program counter
  • Insieme dei registri
  • Spazio dello stack

Un thread condivide con i thread ad esso associati:

  • Spazio di indirizzamento (non c’è protezione !!)
  • Dati globali
  • File aperti
  • Gestori dei segnali

Definizione di Threads

  • L’insieme dei thread e dell’ambiente da essi condiviso è chiamato task.
  • Un processo tradizionale, o heavyweight process, corrisponde ad un task con un solo thread.

Processi a thread singolo e multithread

In figura sono mostrati due schemi relativi a processi a thread singolo (a sinistra) e multiplo (a destra).

Processi single/multi threaded

Processi single/multi threaded


Vantaggi dei threads

In un task multithread, mentre un thread è bloccato in attesa, un secondo thread nello stesso task può essere in esecuzione.

  • La cooperazione di più thread nello stesso job fornisce un maggior throughput.
  • Applicazioni che richiedono la condivisione di un buffer (es. produttore–consumatore) traggono beneficio dall’impiego di thread.

Vantaggi dei threads

  • Possono essere gestiti dal sistema operativo o da una applicazione utente
  • E’ un modo per condividere risorse
  • Realizzano una forma di parallelismo
  • Hanno un overhead molto inferiore a quelli dei processi

Ciclo di vita di un thread

Analogamente ad un processo i threads sono schedulati da uno scheduler e attraversano varie fasi:

  • nuovo
  • pronto
  • esecuzione
  • terminato
  • bloccato
  • in attesa
  • dormiente

… ma come sempre dipende dall’implementazione

Esempio

In figura è mostrato uno schema relativo al ciclo di vita dei threads.

Schema esplicativo

Schema esplicativo


Modelli di implementazioni

Quasi tutti i sistemi operativi implementano i threads in uno dei seguenti modi:

  • User-level threads (modello “molti a uno”)
  • Kernel-level threads (modello “uno a uno”)
  • Combinazione ibrida delle due modalita’ precedenti (modello “molti a molti”)

User-level Threads

I threads sono gestiti nello spazio utenti da specifiche librerie e non possono accedere direttamente alle primitive del kernel.

Gestione dei thread (user-level)

Gestione dei thread (user-level)


Implementazione del modello ULT

Il kernel mantiene la propria process table e i relativi PCB.

Ogni processo ha una propria thread table con relative strutture dati per la descrizione dei thread analoga (ma di dimensioni ridotte) ai PCB.

Schema del modello ULT

Schema del modello ULT


Thread a livello utente (ULT)

Vantaggi:

  • Il cambio di contesto fra thread non richiede privilegi in modalità kernel (risparmia il sovraccarico del doppio cambiamento di modalità).
  • Lo scheduling può essere diverso per applicazioni diverse.
  • Gli ULT (User Level Thread ) possono essere eseguiti su qualunque SO senza cambiare il kernel sottostante. La libreria dei thread è un insieme di utilità a livello di applicazione.

Thread a livello utente (ULT)

Svantaggi:

  • In caso di system call bloccanti, quando un thread esegue una chiamata di sistema, viene bloccato tutto il processo.
  • Un’applicazione multithread non può sfruttare il multiprocessing: in un dato istante un solo thread per processo è in esecuzione.

Kernel-level Threads

I threads sono gestiti direttamente dal kernel. In questo caso i thread rappresentano l’ “unità di esecuzione” della CPU.

Gestione dei thread (kernel-level)

Gestione dei thread (kernel-level)


Implementazione del modello KLT

Il kernel mantiene:

  • la process table
  • i relativi PCB
  • una thread table
  • le relative strutture dati
Schema del modello ULT

Schema del modello ULT


Thread a livello kernel (KLT)

Vantaggi:

  • Può schedulare simultaneamente più thread (predisposizione al parallelismo su multiprocessori)
  • Miglioramento della scalabilità e dell’interattività
  • Se un thread di un processo è bloccato il kernel può schedulare un altro thread dello stesso processo

Thread a livello kernel (KLT)

Svantaggi:

  • Il trasferimento del controllo fra thread dello stesso processo richiede il passaggio in modalità kernel: l’aumento di prestazioni è meno rilevante rispetto all’approccio ULT.
  • Sovraccarico del kernel che potrebbe gestire migliaia di threads (e delle relative strutture dati).

Combinazione ibrida

Ad ogni thread del kernel corrispondono più thread utente. Cerca di combinare i vantaggi dei due precedenti approcci.

Gestione dei thread (modello ibrido)

Gestione dei thread (modello ibrido)


Combinazione ibrida

Realizzazione:

  • Un insieme di thread permanenti (worker threads) vengono creati dal kernel e formano il “threads pool”
  • Ogni nuovo thread utente è eseguito da un worker thread

Ottimizzazione

  • Possibilità di specificare il numero dei worker threads in base al carico del sistema
  • Schedulazione dei thread direttamente nel kernel

Esempio 1: Threads POSIX (Pthreads)

  • Uno standard POSIX (IEEE 1003.1c) per la creazione e sincronizzazione dei threads
  • Definizione delle API. Spesso implementati mediante libreria da usare in s.o. non dotati di thread (es. Unix)
  • Threads conformi allo standard POSIX sono chiamati Pthreads

Esempio 1: Threads POSIX (Pthreads)

  • Lo standard POSIX stabilisce che registri dei processori, stack e signal mask sono individuali per ogni thread
  • Lo standard specifica come il sistema operativo dovrebbe gestire i segnali ai Pthtrads i specifica differenti metodi di cancellazione
  • Permette di definire politiche discheduling e priorità
  • Alla base di numerose librerie di supporto per vari sistemi non dotati di threads (es. Unix)

Esempio 2: Threads Linux

  • Linux utilizza lo stesso tipo di struttura dati per descrivere processi e threads (Process Control Block)
  • Linux chiama entrambi tasks.
  • Modello KLT (uno a uno)

Per la creazione dei threads, Linux fornisce la chiamata di sistema clone( ).

  • Clone accetta argomenti per specificare quali risorse devono essere condivise con il task figlio

Esempio 2: Threads Linux

In figura si mostra uno schema esplicativo della gestione dei threads in Linux.

Schema dell’esempio

Schema dell'esempio


Esempio 2: Threads Linux

La fork viene realizzata mediante la clone e la duplicazione dello spazio di indirizzamento avviene con il meccanismo di copy-on-write: le pagine vengono copiate solo quando il figlio tenta una scrittura

Schema esplicativo (clone/copy)

Schema esplicativo (clone/copy)


Esempio 3: Threads Solaris 2

  • Implementazione ibrida (molti a molti)
  • Tra i threads del kernel e quelli utente c’è un livello intermedio: i “processi leggeri
    • Ad ogni thread del nucleo è associato un proc leggero
    • Ogni proc leggero può gestire piu’ thread utente
    • Un processo tradizionale è composto da piu’ proc leggeri

Esempio 3: Threads Solaris 2

In figura si mostra uno schema esplicativo della gestione dei threads in Solaris 2.

Schema dei processi (Solaris 2)

Schema dei processi (Solaris 2)


Esempio 3: Threads Solaris 2

  • Lo scheduler agisce direttamente sui threads del nucleo
  • Il numero di processi leggeri varia dinamicamente in maniera da non avere mai processi bloccati
  • Al termine del processo i proc leggeri non vengono immediatamente cancellati ma si cerca di “riciclarli” per altri processi

Prossima lezione

Lo scheduling dei processi

  • Concetti fondamentali
  • Il ruolo delle priorità
  • Valutazione degli algoritmi
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