PDF de programación - Sistemas Operativos: Hilos y Procesos

SISTEMAS OPERATIVOS:
PROCESOS

Hilos y Procesos

ADVERTENCIA

2

¨ Este material es un simple guión de la clase: no son

los apuntes de la asignatura.

¨ El conocimiento exclusivo de este material no
garantiza que el alumno pueda alcanzar los
objetivos de la asignatura.

¨ Se recomienda que el alumno utilice los materiales

complementarios propuestos.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Contenido

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¨ Concepto de hilo.
¨ Modelos de hilos.
¨ Aspectos de diseño.
¨ Hilos en pthreads.
¨ Planificación de hilos

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Aplicaciones con tareas concurrente

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¨ Un proceso incluye un único hilo de ejecución.

¨ Diseño de aplicación con varias tareas concurrentes:
¤ Un proceso receptor de peticiones y lanzar un proceso

por petición.

¤ Un proceso receptor y un conjunto fijo de procesos de

tratamiento de peticiones.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Rendimiento de aplicaciones
concurrentes

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¨ Consumo de tiempo en la creación y terminación de

procesos.

¨ Consume de tiempo en cambios de contexto.

¨ Problemas en la compartición de recursos.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Hilo, Proceso ligero o Thread

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Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Hilos

7

¨ La mayoría de los modernos SO proporcionan procesos con

múltiples secuencias o hilos de control en su interior.

¨ Se considera una unidad básica de utilización de la CPU.
¨ Cada uno comprende:
¤ Identificador de thread
¤ Contador de programa
¤ Conjunto de registros
¤ Pila

¨ Comparten con el resto de hilos del proceso:

¤ Mapa de memoria (sección de código, sección de datos, shmem)
¤ Ficheros abiertos
¤ Señales, semáforos y temporizadores.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

BCP de proceso con hilos

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Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Beneficios

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¨ Capacidad de respuesta.

¤ Mayor interactividad al separar las interacciones con el usuario

de las tareas de procesamiento en distintos hilos.

¨ Compartición de recursos.

¤ Los hilos comparten la mayor parte de los recursos de forma

automática.

¨ Economía de recursos.

¤ Crear un proceso consume mucho más tiempo que crear un hilo

(Ejemplo: en Solaris relación 30 a 1).

¨ Utilización sobre arquitecturas multiprocesador.

¤ Mayor nivel de concurrencia asignando distintos hilos a distintos

procesadores.

¤ La mayoría de los sistemas operativos modernos usan el hilo

como unidad de planificación.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Los threads permiten paralelizar la
ejecución de una aplicación

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Procedimiento 1
P

Espera
en E/S

Procedimiento 1
P

Espera
en E/S

Procedimiento 2
P

Procedimiento 2
P

Espera
en E/S

F

Ejecución
serie

F

F

Ejecución
paralela

Espera
en E/S

F

Procesamiento

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Soporte de hilos

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Espacio de usuario
ULT – User Level Threads

¨ Implementados en forma de

biblioteca de funciones en espacio
de usuario.

¨ El kernel no tiene conocimiento sobre

ellos, no ofrece soporte de ningún
tipo.

¨ Es mucho más rápido pero presentan

algunos problemas → Llamadas al
sistema bloqueantes.

Espacio de núcleo
KLT – Kernel Level Threads
¨ El kernel se ocupa de crearlos,

planificarlos y destruirlos.

¨ Es un poco más lento ya que

hacemos participar al kernel y esto
supone un cambio de modo de
ejecución.

¨ En llamadas al sistema bloqueantes
sólo se bloquea el thread implicado.

¨ En sistemas SMP, varios threads

pueden ejecutarse a la vez.

¨ No hay código de soporte para

thread en las aplicaciones.

¨ El kernel también puede usar
threads para llevar a cabo sus
funciones.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Contenido

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¨ Concepto de hilo.
¨ Modelos de hilos.
¨ Aspectos de diseño.
¨ Hilos en pthreads.
¨ Planificación de hilos

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Modelos de múltiples hilos:
Muchos a uno
¨ Hace corresponder

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múltiples hilos de usuario
a un único hilo del
núcleo.

¨ Biblioteca de hilos en

espacio de usuario.

¨ Llamada bloqueante:
¤ Se bloquean todos los

hilos.

¨ En multiprocesadores no

se pueden ejecutar
varios hilos a la vez.

h1

h2

…

hn

Biblioteca de hilos

k1

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

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Modelo de múltiples hilos:
Uno a uno
¨ Hace corresponder un
hilo del kernel a cada
hilo de usuario.

h1

h2

…

hn

¨ La mayoría de las
implementaciones
restringen el número de
hilos que se pueden
crear.

¨ Ejemplos:
¤ Linux 2.6.
¤ Windows.
¤ Solaris 9.

k1

k2

…

kn

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Modelos de múltiples hilos:
Muchos a muchos
¨ Este modelo multiplexa los

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h1

h2

…

hn

threads de usuario en un
número determinado de
threads en el kernel.
¨ El núcleo del sistema

operativo se complica
mucho.

¨ Ejemplos:

¤ Solaris (versiones

anteriores a 9).

¤ HP-UX.
¤ IRIX.

k1

k2

km…

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Contenido

16

¨ Concepto de hilo.
¨ Modelos de hilos.
¨ Aspectos de diseño.
¨ Planificación de hilos
¨ Hilos en pthreads.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Llamadas a fork y exec

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¨ En los sistemas tipo UNIX ¿Qué se debe hacer si se

llama a fork desde un hilo?
¤ Duplicar el proceso con todos sus hilos.

n Apropiado si no se va a llamar luego a exec para sustituir

la imagen del proceso.

¤ Duplicar el proceso solo con el hilo que llama a fork.

n Más eficiente si se va a llamar a exec y se van a cancelar

todos los hilos.

¨ Solución en Linux: Dos versiones de fork.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Cancelación de hilos

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¨ Situación en la que un hilo notifica a otros que

deben terminar.

¨ Opciones:

¤ Cancelación asíncrona: Se fuerza la terminación

inmediata del hilo.
n Problemas con los recursos asignados al hilo.
¤ Cancelación diferida: El hilo comprueba

periódicamente si debe terminar.
n Preferible.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Hilos y procesamiento de solicitudes

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¨ Las aplicaciones que reciben peticiones y las procesan

pueden usar hilos para el tratamiento.

¨ Pero:

¤ El tiempo de creación/destrucción del hilo supone un retraso

(aunque sea menor que el de creación/destrucción de un
proceso).

¤ No se establece un límite en el número de hilos concurrentes.
¤ Si llega una avalancha de peticiones se pueden agotar los

recursos del sistema.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Thread Pools o Conjuntos de Hilos

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¨ Se crea un conjunto de hilos que quedan en espera

a que lleguen peticiones.

¨ Ventajas:

¤ Se minimiza el retardo: El hilo ya existe.
¤ Se mantiene un límite sobre el número de hilos

concurrentes.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Arquitecturas software basadas en
threads

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Distribuidor

Trabajador

s
e
d
u
t
i

c

i
l

o
S

Núcleo

E/S

Núcleo

E/S

s
e
d
u
t
i

c

i
l

o
S

Núcleo

E/S

s
e
d
u
t
i

c

i
l

o
S

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Contenido

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¨ Concepto de hilo.
¨ Modelos de hilos.
¨ Aspectos de diseño.
¨ Hilos en pthreads.
¨ Planificación de hilos

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Creación de hilos

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¨ int pthread_create(pthread_t *thread,

const pthread_attr_t *attr,
void *(*func)(void *),
void *arg)
¤ Crea un hilo e inicia su ejecución.
¤ thread: Se debe pasar la dirección de una variable del tipo

pthread_t que se usa como manejador del hilo.

¤ attr: Se debe pasar la dirección de una estructura con los

atributos del hilo. Se puede pasar NULL para usar atributos por
defecto.

¤ func: Función con el código de ejecución del hilo.
¤ arg: Puntero al parámetro del hilo. Solamente se puede pasar un

llamada.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

parámetro.

¨ pthread_t pthread_self(void)

¤ Devuelve el identificador del thread que ejecuta la

Espera y terminación

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¨ int pthread_join(pthread_t thread,

void **value)
¤ El hilo que invoca la función se espera hasta que el hilo cuyo

manejador se especifique haya terminado.

¤ thread: Manejador de del hilo al que hay que esperar.
¤ value: Valor de terminación del hilo.

¨ int pthread_exit(void *value)

¤ Permite a un proceso ligero finalizar su ejecución, indicando

el estado de terminación del mismo.

¤ El estado de terminación no puede ser un puntero a una

variable local.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Ejemplo: crear y esperar

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#include ..
#include <pthread.h>
void * thread_function(void *arg)
{ int i;

for ( i=0 ; i < 2 ; i++ ) {
printf("Thread says hi!\n"); sleep(1); }
printf("Thread exit\n");
return NULL;

}
int main(int argc, char ** argv) {

pthread_t mythread;
if ( pthread_create(&mythread,NULL,thread_function, NULL)==-1 )
{ printf("error creating thread."); abort(); }
printf("Wait for join to exit\n");
if (pthread_join(mythread,NULL) == -1)
{ printf("error joining thread.\n"); abort(); }
exit(0);

}

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Ejemplo: sumador con threads

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#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

struct sumapar {

int n, m, r;

};
typedef struct sumapar

sumapar_t;

void suma(sumapar_t * par) {

int i;
int suma=0;
for (i=par->n;i<=par->m;i++)
{

int main() {

pthread_t th1, th2;
sumapar_t s1 = {1,50,0};
sumapar_t s2 = {51,100,0};

pthread_create(&th1, NULL,
(void*)suma, (void*)&s1);
pthread_create(&th2, NULL,
(void*)suma, (void*)&s2);

pthread_join(th1, NULL);
pthread_join(th2, NULL);

printf("Suma=%d\n",

s1.r+s2.r);

}

suma +=i;

}
par->r=suma;

}

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Atributos de un hilo

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¨ Cada hilo tiene asociados un conjunto de atributos.
¨ Atributos representados por una variable de tipo

pthread_attr_t.

¨ Los atributos controlan:

¤ Un hilo es independiente o dependiente.
¤ El tamaño de la pila privada del hilo.
¤ La localización de la pila del hilo.
¤ La política de planificación del hilo.

Sistemas Operativos – Hilos y procesos

Atributos

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¨ int pthread_attr_init(pthread_attr_t * attr);

¤ Inicia una estructura de atributos de hilo.

¨ int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t * attr);

¨ int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t