Přednáška 2. Procesy a vlákna. Časově závislé chyby. Kritické sekce.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Přednáška 2. Procesy a vlákna. Časově závislé chyby. Kritické sekce."

Viktor Richard Novotný
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Přednáška 2 Procesy a vlákna. Časově závislé chyby. Kritické sekce. Katedra počítačových systémů FIT, České vysoké učení technické v Praze Jan Trdlička, 2012 Příprava studijního programu Informatika je podporována projektem financovaným z Evropského sociálního fondu a rozpočtu hlavního města Prahy. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1

2 Proces Všechen běžící software v systému je organizován jako množina běžících procesů (kromě jádra). Program posloupnost instrukcí definujících chování procesu Proces instance spuštěného programu 2

3 Procesový model Každý proces alokuje příslušné prostředky (adresový prostor obsahující kód a data, zásobník) má atributy (ID, identita, informace o rodiči a potomcích, informace pro plánování,) Implicitně obsahuje jedno vlákno výpočtu. 3

4 Vytvoření procesu Nový proces se vytvoří když exitující proces zavolá příslušné systémové volání (např. fork() a exec() v Unixu, nebo CreateProcess() v MS Windows). Vytvoření OS inicializuje v jádře datové struktury spojené s novým procesem. OS nahraje kód a data programu z disku do paměti a vytvoří prázdný systémový zásobník pro daný proces. Klonování OS zastaví aktuální proces a uloží jeho stav. OS inicializuje v jádře datové struktury spojené s novým procesem. OS udělá kopii aktuálního kódu, dat, zásobníku, stavu procesu,... 4

5 Příklad: spuštění procesu v Unixu int main() { pid_t pid; pid = fork(); switch (pid) { case -1: /* Error */ exit(1); case 0: /* Child process */ execlp("/bin/sleep", "sleep", "30", (char *) NULL); exit(1); default: /* Parent process */ wait(&status); } return 0; }; 5

6 Příklad: spuštění procesu v Unixu Nový proces vzniká použitím systémových volání: fork() vytvoří nový proces, který je kopií procesu, z kterého byla tato funkce zavolána v rodičovském procesu vrací funkce PID potomka (v případě chyby -1) v potomkovi vrací funkce 0 nový proces má jiné PID a PPID, ostatní vlastnosti dědí (např. EUID, EGID, prostředí,...) nebo sdílí s rodičem (např. soubory, ) kódový segment sdílí potomek s rodičem datový a zásobníkový segment vznikají kopií dat a zásobníku rodiče 6

7 Příklad: spuštění procesu v Unixu exec() v procesu, ze kterého je funkce volána, spustí nový program (obsah původního procesu je přepsán novým programem) atributy procesu se nemění (PID, PPID,...) 7

8 Ukončení procesu Normal exit (dobrovolné) Když proces dokončí svou práci, použije systémové volání, aby řekl OS, že končí (např. exit() v Unixu nebo ExitProcess() v MS Windows). Error exit (dobrovolné) Například když proces zjistí fatální chybu (např. žádný vstupní soubor,...). Fatal error (nedobrovolné) Chyba způsobená procesem, často např. díky chybě v programu. OS proces násilně ukončí. Ukončení jiným procesem (nedobrovolné) Proces použije systémové volání, aby řekl OS o ukončení nějakého jiného procesu (např. kill() v Unixu nebo TerminateProcess() v MS Windows). 8

9 Příklad: jednovláknový Web Server Klient pošle požadavek na konkrétní web. Stránku Server ověří zda klient může přistupovat k dané stránce načte stránku a pošle obsah stránky klientovi Často používané stránky zůstávají uloženy v hlavní paměti, abychom minimalizovali čtení z disku. 9

10 Příklad: vícevláknový Web Server 10

11 Příklad: vícevláknový Web Server Dispatcher thread: čte příchozí požadavky, zkoumá požadavek, vybere nevyužité pracovní vlákno a předá mu tento požadavek. Worked thread: načte požadovanou stránku z hlavní paměti nebo disku a pošle ji klirntovi. D i s p a t c h e r t h r e a d W o r k e d t h r e a d w h i l e ( T R U E ) { g e t _ n e x t _ r e q u e s t ( & b u f ) ; h a n d o f f _ w o r k ( & b u f ) ; } w h i l e ( T R U E ) { w a i t _ f o r _ w o r k ( & b u f ) ; l o o k _ f o r _ p a g e _ i n _ c a c h e ( & b u f, & p a g e ) ; i f ( p a g e _ n o t _ i n _ c a c h e ( & p a g e ) ) r e a d _ p a g e _ f r o m _ d i s k ( & b u f, & p a g e ) ; r e t u r n _ p a g e ( & p a g e ) ; } 11

12 Vláknový model Oddělení alokace prostředků a samotný výpočet. Proces slouží k alokaci společných prostředků. Vlákna jsou jednotky plánované pro spuštění na CPU. Vlákno má svůj vlastní program counter (pro uchování informace o výpočtu), registry (pro uchování aktuálních hodnot), zásobník (který obsahuje historii výpočtu), lokální proměnné, ale ostatní prostředky a identita jsou sdílené. 12

13 Vláknový model Jednotlivá vlákna v daném procesu nejsou nezávislá tak jako jednotlivé procesy. Všechny vlákna v procesu sdílí stejný adresový prostor, stejné otevřené soubory, potomky, reakce na signály, 13

14 Vytvoření a ukončení vlákna Procesy se spouští s jedním vláknem. Toto vlákno může vytvářet další vlákna pomocí knihovní funkce (např. pthread_create() v POSIXu nebo CreateThread() v MS Windows). Když chce vlákno skončit, může se opět ukončit pomocí knihovní funkce (např. pthread_exit() v POSIXu nebo ExitThread() v MS Windows). 14

15 Příklad: POSIX vlákna... void *Thread_code() { }... int main() { ptr = pthread_create(..., &Thread_code, ); pthread_join(ptr,...); } 15

Přepínání kontextu Pseudo paralelismus: vlákna běží (pseudo) paralelně na jednoprocesorovém systému díky přepínání kontextu, procesor střídavě provádí kód jednotlivých

16 Přepínání kontextu Pseudo paralelismus: vlákna běží (pseudo) paralelně na jednoprocesorovém systému díky přepínání kontextu, procesor střídavě provádí kód jednotlivých vláken (multiprogramming, timesharing, multiprocessing). Skutečný hardwarový paralelismus: každé vlákno běží na svém procesoru (multiprocesorový/multijádrový systém). 16

17 Stavy vláken třístavový model Základní stavy vláken Running: v tomto okamžiku právě používá CPU. Ready: připraven použít CPU, dočasně je proces zastaven a čeká až mu bude přiřazeno CPU. Blocked: neschopný použít CPU v tomto okamžiku, čeká na nějakou externí událost (např. načtení dat z disku,). 17

18 Časově závislé chyby Dva nebo několik procesů/vláken používá (čte/zapisuje) společné sdílené prostředky (např. sdílená paměť, sdílení proměnné, sdílené soubory,). Výsledek výpočtu je závislý na přepínání kontextu jednotlivých procesů/vláken, které používají sdílené prostředky. Velmi špatně se detekují (náhodný výskyt)! 18

19 Příklad 1 Dva uživatelé editují stejný soubor (např. v Unixu pomocí editoru vi). U s e r 1 : v i f. t x t U s e r 2 : v i f. t x t 19

20 Příklad 2 Dvě vlákna inkrementují sdílenou proměnnou. S h a r e d v a r i a b l e i n t c o u n t e r = 0 ; T h r e a d A c o u n t e r + + ; m o v l a d d l $ 1, ( % e a x ) m o v l T h r e a d B c o u n t e r + + ; 20

21 Kritické sekce Kritická sekce Část programu, kde procesy používají sdílené prostředky (např. sdílená paměť, sdílená proměnná, sdílený soubor, ). Sdružené kritické sekce Kritické sekce dvou (nebo více) procesů, které se týkají stejného sdíleného prostředku. Vzájemné vyloučení Procesům není dovoleno sdílet stejný prostředek ve stejném čase. Procesy se nesmí nacházet ve sdružených sekcích současně. 21

22 Korektní paralelní program Nutné podmínky 1. Dva procesy se nesmí nacházet současně ve stejné sdružené sekci. 2. Žádné předpoklady nesmí být kladeny na rychlost a počet procesorů. 3. Pokud proces běžící mimo kritickou sekci nesmí být blokován ostatní procesy. 4. Žádný proces nesmí do nekonečna čekat na vstup do kritické sekce. 22

23 Bersteinovy podmínky R ( p ) W ( q ) =, W ( p ) R ( q ) =, W ( p ) W ( q ) =, R ( i ) - v š e c h n y s d í l e n é p r o m ě n n é p r o č t e n í p o u ž i t é v p r o c e s u i, W ( i ) - v š e c h n y s d í l e n é p r o m ě n n é p r o z á p i s p o u ž i t é v p r o c e s u i. Sdílené proměnné mohou být pouze čteny. Příliš přísné => pouze teoretický význam. 23

Podobné dokumenty

Operační systémy. Přednáška 2: Procesy a vlákna

Operační systémy. Přednáška 2: Procesy a vlákna Operační systémy Přednáška 2: Procesy a vlákna 1 Procesy Všechen běžící software v systému je organizován jako množina sekvenčně běžících procesů. (Sekvenční) proces Abstrakce běžícího programu. Sekvence