953 20-03-2020 Лекция 3-1 Применение потоков

План выполнения занятия

1. Ознакомиться с лекционным материалом

2. Сделать конспект лекции

3. Ответить на контрольные вопросы

4. Создать фотоотчет о проделанной работе

5. Переслать на почту преподавателя фотоотчет в виде файла с именем фамилия_группа_дата занятия (например: Петров_553_20-03-20)

Лекция 3-1. Применение потоков

Цель занятия: сформировать знания студентов о процессах и потоках в операционных системах

Концепция процесса, пришедшая из мира UNIX, плохо реализуется в многозадачной системе, поскольку процесс имеет тяжелый контекст. Возникает понятие потока (thread), который понимается как подпроцесс, или легковесный процесс (light-weight process), выполняющийся в контексте полноценного процесса.

С помощью процессов можно организовать параллельное выполнение программ. Для этого процессы клонируются вызовами fork() или exec(), а затем между ними организуется взаимодействие средствами IPC. Это довольно дорогостоящий в отношении ресурсов способ.

С другой стороны, для организации параллельного выполнения и взаимодействия процессов можно использовать механизм многопоточности. Основной единицей здесь является поток, который представляет собой облегченную версию процесса. Чтобы понять, в чем состоит его особенность, необходимо вспомнить основные характеристики процесса.

1. Процесс располагает определенными ресурсами. Он размещен в некотором виртуальном адресном пространстве, содержащем образ этого процесса. Кроме того, процесс управляет другими ресурсами (файлы, устройства ввода / вывода и т.д.).

2. Процесс подвержен диспетчеризации. Он определяет порядок выполнения одной или нескольких программ, при этом выполнение может перекрываться другими процессами. Каждый процесс имеет состояние выполнения и приоритет диспетчеризации.

Если рассматривать эти характеристики независимо друг от друга (как это принято в современной теории ОС), то:

• владельцу ресурса, обычно называемому процессом или задачей, присущи:

  • виртуальное адресное пространство;

  • индивидуальный доступ к процессору, другим процессам, файлам, и ресурсам ввода — вывода.

• Модулю для диспетчеризации, обычно называемому потоком или облегченным процессом, присущи:

  • состояние выполнения (активное, готовность и т.д.);

  • сохранение контекста потока в неактивном состоянии;

  • стек выполнения и некоторая статическая память для локальных переменных;

  • доступ к пространству памяти и ресурсам своего процесса.

Все потоки процесса разделяют общие ресурсы. Изменения, вызванные одним потоком, становятся немедленно доступны другим.

При корректной реализации потоки имеют определенные преимущества перед процессами. Им требуется:

• меньше времени для создания нового потока, поскольку создаваемый поток использует адресное пространство текущего процесса;

• меньше времени для завершения потока;

• меньше времени для переключения между двумя потоками в пределах процесса;

• меньше коммуникационных расходов, поскольку потоки разделяют все ресурсы, и в частности адресное пространство. Данные, продуцируемые одним из потоков, немедленно становятся доступными всем другим потокам.

Если операционная система поддерживает концепции потоков в рамках одного процесса, она называется многопоточной. Многопоточные приложения имеют ряд преимуществ.

• Улучшенная реакция приложения — любая программа, содержащая много не зависящих друг от друга действий, может быть перепроектирована так, чтобы каждое действие выполнялось в отдельном потоке. Например, пользователь многопоточного интерфейса не должен ждать завершения одной задачи, чтобы начать выполнение другой.

• Более эффективное использование мультипроцессирования — как правило, приложения, реализующие параллелизм через потоки, не должны учитывать число доступных процессоров. Производительность приложения равномерно увеличивается при наличии дополнительных процессоров. Численные алгоритмы и приложения с высокой степенью параллелизма, например перемножение матриц, могут выполняться намного быстрее.

• Улучшенная структура программы — некоторые программы более эффективно представляются в виде нескольких независимых или полуавтономных единиц, чем в виде единой монолитной программы. Многопоточные программы легче адаптировать к изменениям требований пользователя.

• Эффективное использование ресурсов системы — программы, использующие два или более процессов, которые имеют доступ к общим данным через разделяемую память, содержат более одного потока управления. При этом каждый процесс имеет полное адресное пространство и состояние в операционной системе. Стоимость создания и поддержания большого количества служебной информации делает каждый процесс более затратным, чем поток. Кроме того, разделение работы между процессами может потребовать от программиста значительных усилий, чтобы обеспечить связь между потоками в различных процессах или синхронизировать их действия.

ЗАДАЧА (TASK) — блок программного кода, ответственный за обработку тех или иных событий, возникающих на объекте управления.

Задача может быть «оформлена» в виде:

• Отдельного процесса

• Потока управления внутри процесса (нити, легковесного процесса)

• Обработчика прерывания/подпрограммы

РАБОТА ЗАДАЧИ (JOB) — процесс исполнения блока программного кода в ходе обработки события.

Каждая работа задачи характеризуется следующими временнЫми параметрами:

• r (Release Time) — момент времени, когда задача становится готовой к исполнению (например, процесс переходит в состояние готовности)

• d (Absolute Deadline) — абсолютный крайний срок, момент времени, к которому задача должна завершить очередную работу.

• s (Start Time) — момент времени, когда задача начала исполняться на процессоре

• с (Complition Time) — момент времени, когда задача закончила работу, обработав событие

• D (Relative Deadline) — относительный крайний срок. D = d — r

• e (Execution Time) — время исполнения задачи при выполнении ею очередной работы. e = c — s

• R (Response Time) — время отклика. R = c — r

Диаграмма ниже иллюстрирует эти параметры:

r s c d

* |---------------| |

| | | |

| | | *

--+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---- t (у.е.)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Приведенная на этой диаграмме работа задачи имеет следующие параметры:

• r = 2

• d = 11

• s = 5

• с = 9

• D = 11 — 2 = 9

• e = 9 — 5 = 4

• R = 9 -2 = 7

Упомянутые параметры определяются следующим:

• Времена перехода задач в состояние готовности, по сути, определяются природой управляемого объекта.

• Крайние сроки определяет разработчик СРВ, исходя из свойств управляемого объекта.

• Времена исполнения задач определяются архитектурой процессора, его тактовой частотой и конкретной реализацией того или иного алгоритма.

• Для определения последней величины можно использовать 2 подхода.

  • Первый заключается в подсчете количества тактов процессора, необходимых на выполнение той или иной задачи. 
    Отметим, что такой подсчет чрезвычайно усложняется в случае, если процессор содержит механизмы типа конвейеров и всевозможных кэшей.

  • Второй подход более прост и состоит в том, что времена исполнения непосредственно измеряются. 
    Опять отметим, что в случае процессоров с конвейерами и кэшами такие измерения не дают гарантии, что будет измерено именно МАКСИМАЛЬНОЕ время исполнения того или иного кода (???). Наконец, системы, использующие механизмы подкачки страниц, также являются менее предсказуемыми и поэтому считается, что такого рода механизмы являются «врагами» систем реального времени. Недаром в различного рода стандартах, касающихся СРВ, предусмотрены средства блокировки страниц памяти.

• Планирование процессов и потоков

• Одной из основных подсистем мультипрограммной ОС, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами и потоками, которая занимается их созданием и уничтожением, поддерживает взаимодействие между ними, а также распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами и потоками.

• Подсистема управления процессами и потоками ответственна за обеспечение процессов необходимыми ресурсами. ОС поддерживает в памяти специальные информационные структуры, в которые записывает, какие ресурсы выделены каждому процессу. Она может назначить процессу ресурсы в единоличное пользование или в совместное пользование с другими процессами. Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые — динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода-вывода, файловая система.

• Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, то возникают дополнительные проблемы. Хотя потоки возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например при обмене данными. Согласование скоростей потоков также очень важно для предотвращения эффекта «гонок» (когда несколько потоков пытаются изменить один и тот же файл), взаимных блокировок или других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов. Синхронизация потоков является одной из важных функций подсистемы управления процессами и потоками.

• Каждый раз, когда процесс завершается, ОС предпринимает шаги, чтобы «зачистить следы» его пребывания в системе. Подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Контрольные вопросы:

1. Что такое процесс?

2. Расскажите о «модели трех состояний».

3. Что представляют собой состояния выполнения, ожидания и готовности?

4. Какие существуют операции над процессами?

5. Что нужно для создания процесса в операционной системе?

6. Что такое иерархия процессов?

7. Что такое потоки и многопоточность?

8. Выявите преимущества многопоточности.

9. Что такое задача?