Principper for Samtidighed og Styresystemer - Processer og TrÃ¥de

Principper for Samtidighed og Styresystemer 

Processer og Tråde 

René Rydhof Hansen 

Feb 2009 

PSS’09 (Forelæsning 02) Processer og Tråde Feb 2009 1 / 17

Opgaver 

Opgave 1: Grundlæggende OS begreber 

Opgave 2: Fordele/ulemper ved monolitisk hhv. mini-kerne design 

Opgave 3: Race-condition/TOCTTOU 

Opgave 4: Grundlæggende filsystem-begreber 

Opgave 5: Filoperationer under Linux 


Mål 

At kunne forklare forskellige allokeringsstrategier for blokke 

At kunne forklare udviklerperspektivet på filsystemer 

(API/interface/systemkald) 

At kunne forklare hvad tråde og processer er 

At kunne forklare hvad gensidig udelukkelse er og hvordan det opnås 



Definition (Proces) 

Den omgivelse et program udføres i ([English]) 

Et kørende program 

En “virtuel maskine”(?) 

Definition (Tråd) 

Den del af processen der udføres ([English]) 

Den størrelse der udføres af styresystemet 

“Letvægtsprocesser” 

Example (Trådunderstøttelse i (moderne) styresystemer) 

Windows 

Linux(?) 


2009-02-17 




Definition (Proces) 

Den omgivelse et program udføres i ([English]) 

Et kørende program 

En “virtuel maskine”(?) 

Definition (Tråd) 

Den del af processen der udføres ([English]) 

Den størrelse der udføres af styresystemet 

“Letvægtsprocesser” 

Example (Trådunderstøttelse i (moderne) styresystemer) 

Windows 

Linux(?) 

1. Virtuel maskine med begrænset adgang til bl.a. processor, e.g., kan ikke 

udføre halt-instruktion 

2. Tråde tillader “letvægtsprocesser” at dele bl.a. hukommelse 

3. Linux understøtter tråde i modsætning til påstanden i [English]. 

Forvirringen skyldes at Linux implementerer ægte letvægtsprocesser, med 

hurtig procesoprettelse, der kan bruges/opfattes som tråde

Multithreading og Multiprogrammering 

Definition (Multithreading) 

En opdeling af processer i flere tråde 

I systemer uden multithreading: kun processer 

Definition (Multiprogrammering) 

Opdeling af tasks der kan udføres samtidigt på delte processorer 

Implementeres ved hurtige skift mellem de enkelte tasks 

Kommunikation mellem tråde? 

Memory mapping (jvf. Opgave 5 (opgavesæt 2)) 

COM 


Tråde 

Thread 1 

Local 

data for 

thread 1 

Program 

Thread 3 

Local 


thread 3 

Thread 2 

Local 


thread 2 

Process 1 

Process 2 

Tråd-lokale data? 

Proces-lokale data? 

Delte data? 


Tråde 

Thread 1 

Local 


thread 1 


Thread 3 

Local 


thread 3 

Thread 2 

Local 


thread 2 

Process 1 

Process 2 

Tråd-lokale data? tråd-ID, prioritet, stak 

Proces-lokale data? adresserum, heap, åbne filer, proces-ID, parent, 

ejerskab, CPU reg. (kopi) 

Delte data? Programtekst 


2009-02-17 


Tråde 

Tråde 

Thread 1 

Thread 3 

Local 

Local 




thread 1 

thread 3 

Thread 2 

Local 


thread 2 

Process 1 

Process 2 

Tråd-lokale data? tråd-ID, prioritet, stak 

Proces-lokale data? adresserum, heap, åbne filer, proces-ID, parent, 

ejerskab, CPU reg. (kopi) 

Delte data? Programtekst 

• Prioritet: influerer på schedulering af tråd(e) 

• Proces skal gemme kopi af nødvendig kontekst (herunder CPU registre)

Tråde i Java 

public class MyThread extends Thread 

{ 

public void run() 

{ 

for(int i=1; i

Hvad er resultatet af følgende program? 

int i = 0; 

void thread() 

{ 

for(int j = 0; j < 10000;j++) 

{ 

i++; 

} 

} 

t1 = run(thread); 


wait(t1); 

wait(t2); 

print(i); 


Hvad er resultatet af følgende program? 

int i = 0; 

void thread() 

{ 

for(int j = 0; j < 10000;j++) 

{ 

i++; // i++ er ikke-atomisk 

} 

} 



wait(t1); 

wait(t2); 

print(i); 


Gensidig udelukkelse — Vigtige begreber 

Race Condition 

Tilstand hvor resultatet afhænger af den relative hastighed af de 

enkelte tråde 

Det vil sige af den faktiske ordning (interleaving) af hændelserne i 

trådene 

Vanskeligt at fejlfinde 

Kritisk region 

Programfragment der giver anledning til race conditions 

Engelsk: “Critical sections” eller “critical regions” 

Gensidig udelukkelse 

En tilstand hvor der blandt en mængde tråde kun er en enkelt tråd der 

kan tilgå en bestemt ressource eller udføre en bestemt del af 

programteksten 

Engelsk: “mutual exclusion” 

Atomisk 

Hændelse eller sekvens af hændelser der sker uafbrydeligt 


Højniveausprog 

a = a + 1 

ld a, r1 

add r1,1 

st r1,a 

Kommandoer/instruktioner i højniveausprog er ikke atomiske 

Processorinstruktioner kan antages at være atomiske 

Parallel skrivning/læsning til/fra delt lagercelle har uforudsigeligt 

resultat 


Gensidig udelukkelse 

Kritiske regioner skal udføres under gensidig udelukkelse! 


mutex algoritmer 

bool flag[2] = { false, false }; 

thread P0 

thread P1 

{ { 

while flag[1] 

while flag[0] 

{ { 

} } 

flag[0] = true; 


/* kritisk region */ /* kritisk region */ 

flag[0] = false; 

} } 


Algoritmen er forkert! 




thread P0 

thread P1 

{ { 

while flag[1] 

while flag[0] 

{ { 

} } 





} } 




2009-02-17 





thread P0 

thread P1 

{ { 

while flag[1] 

while flag[0] 

{ { 

} } 






} } 


• Race condition: når while-løkken slutter kan den “konkurrerende” proces 

igen overtage

Decker’s mutex-algoritme 

bool flag[2] = {false, false}; 

int turn = 0; 

process P0 { process P1 { 



while flag[1] { while flag[0] { 

if turn == 1 { if turn == 0 { 



while turn == 1 { } while turn == 0 { } 



} } 

} } 


turn = 1; turn = 0; 



} } 




int turn = 0; 











} } 

} } 





} } 

Ikke særlig effektiv 

Problem: compiler kan allokere visse variable til registre (dermed ikke 

delt mellem trådene) 


2009-02-17 





int turn = 0; 











} } 

} } 





} } 

Ikke særlig effektiv 

Problem: compiler kan allokere visse variable til registre (dermed ikke 

delt mellem trådene) 

• Vanskelig at skalere til mere en to processer 

• Nødvendig på systemer uden hardwareunderstøttelse

Test and Set 

int mutex = 0; 

thread P0 

thread P1 

{ { 

while test_and_set(mutex)==1 while test_and_set(mutex)==1 

{ { 

} } 


mutex = 0; mutex = 0; 

} } 

test and set findes ofte som en atomisk processorinstruktion 

Busy waiting 


2009-02-17 


Test and Set 

Test and Set 

int mutex = 0; 

thread P0 

thread P1 

{ { 

while test_and_set(mutex)==1 while test_and_set(mutex)==1 

{ { 

} } 


mutex = 0; mutex = 0; 

} } 

test and set findes ofte som en atomisk processorinstruktion 

Busy waiting 

• Sætter mutex til 1 og returnerer gammel værdi, i.e., 0 eller 1

Exchange 

xchange(a,b) bytter a og b 

Hvis xchange er atomisk, hvordan kan den så bruges til at sikre 

gensidig udelukkelse? 

Jvf. Opgave 1 i Opgavesæt 2 


2009-02-17 


Exchange 

Exchange 

xchange(a,b) bytter a og b 

Hvis xchange er atomisk, hvordan kan den så bruges til at sikre 

gensidig udelukkelse? 

Jvf. Opgave 1 i Opgavesæt 2 

• Brug xchange til at sikre atomicitet for “token”

Opgaver 

Opgave 1: Gensidig udelukkelse med xchange 

Opgave 2: Tråde og gensidighed i Java 

Opgave 3: Tråde og gensidighed i Java 

Opgave 4: Implementation af gensidig udelukkelse 

Opgave 5: Memory mapping 

Fokusér på opgaverne 1–4. 


Opsummering og næste gang 

Filsystemer fra et udviklerperspektiv 

API/interface/systemkald 

Allokeringsstrategier for diskblokke 

Kataloger 

Processer og tråde 

Gensidig udelukkelse (Decker’s algoritme) 

Næste gang: semaforer, synkronisering, ...

Principper for Samtidighed og Styresystemer - Processer og TrÃ¥de

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?