i Thread

TPSI

Emanuela Giaconi

I thread o “processi leggeri”

In questa lezione impareremo:

 la differenza tra processi e thread

 le modalità di utilizzo dei thread nei

SO

Open Ended

Come è possibile parallelizzare più processi? Come avviene la cooperazione tra processi? è facile/semplice ottenere la parallelizzazione, la cooperazione e lo scambio di informazioni?

Generalità

 I processi sono entità autonome e sono

quindi adatti alla descrizione di attività
autonome con poche risorse condivise
• poco si prestano alla scrittura di applicazioni

fortemente cooperanti

 Oltre al processo viene definita una nuova

entità a esso molto simile:
• ha particolari caratteristiche che agevolano la

risoluzione di problemi con alta cooperazione e
condivisione di risorse: i thread.

Generalità

 Al modello a processi

• che implementa un insieme di macchine

virtuali “una per ciascun processo”

 si affianca quindi un modello a thread

•definisce un sistema di macchine virtuali

che realizzano “delle attività” piuttosto che
un “compito completo”

Open Ended

Un processo può essere rappresentato dall'immagine del processo e dalle sue risorse. Cosa si intende con immagine del processo e cosa per risorse possedute?

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Processi pesanti

Si è detto che il processo può essere
visto come l’insieme della sua immagine
e dalle risorse che sta utilizzando, dove:
• l’immagine del processo è costituita da:

• process ID, Program Counter, Stato dei Registri,

Stack, Codice, Dati ecc.

• le risorse possedute sono:

• i file aperti, processi figli, dispositivi di I/O

Open Ended

Ripassiamo insieme: cosa si intende con cambio di contesto? cosa deve fare il sistema operativo?

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Quando avviene il cambio di contesto, per

rendere operativo il nuovo processo le
operazioni che il SO deve compiere sono
molteplici e complesse
• richiedono il salvataggio del contesto del

processo che si sospende e il ripristino di quello
che inizia (o riprende) la sua esecuzione.

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 L’esecuzione delle operazioni di context

switch richiede tempo utile di CPU

 viene così sprecato tempo per effettuare

queste operazioni “non produttive”

 questo tempo impiegato prende il nome

di overhead

 può essere definito come “costo di

gestione” per realizzare il multitasking.

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Per questo motivo al processo viene

“assegnato l’aggettivo di pesante”

 richiede “pesanti” elaborazioni per

passare dallo stato di pronto a quello di
esecuzione

Naturalmente l’obiettivo di ogni SO è quello di ridurre al minimo
l’overhead migliorando gli algoritmi di scheduling.

Open Ended

Da cosa è composto il processo in esecuzione?

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Processi leggeri

 Il processo in evoluzione può essere

visto come l’unione di due componenti:
◗le risorse che utilizza, cioè quelle
comprese nel suo spazio di
indirizzamento;
◗l’esecuzione del codice, cioè il flusso di
evoluzione del programma che condivide
la CPU con gli altri processi.

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Il sistema operativo gestisce questi due

componenti in modo indipendente

 Questa osservazione è alla base dei thread:

◗ la parte del processo alla quale viene
assegnata la CPU viene definita processo
leggero (thread);
◗ la parte del processo che possiede le
risorse viene definita processo pesante
(processo o task).

Processi “pesanti” e “processi leggeri”

 Un thread è un “segmento di codice” che

viene eseguito in modo sequenziale all’interno
di un processo pesante

 Tutti i thread definiti all’interno di un processo

ne condividono le risorse, risiedono nello
stesso spazio di indirizzamento e hanno
accesso a tutti i suoi dati.

THREAD o processo leggero

 Il termine “processo leggero” (LightWeight

Process LWP)” vuole indicare che
l’implementazione di un thread è meno
onerosa di quella di un vero processo

 con multithreading si indica la molteplicità

di flussi di esecuzione all’interno di un
processo pesante.

THREAD o processo leggero

 Per evolvere parallelamente agli altri thread o processi che

si contendono la CPU, il thread ha inoltre un insieme di
propri elementi che lo caratterizzano chiamato TCB (il
Thread Control Block), costituito da:

THREAD o processo leggero

THREAD o processo leggero

 L’esecuzione dei thread richiede necessariamente che le

routine di libreria debbano essere rientranti: i thread di un programma interagiscono con il SO mediante system call che usano dati e tabelle di sistema dedicate al processo e queste devono essere progettate in modo da poter essere utilizzate da più thread contemporaneamente (thread safe call) senza che vengano persi i dati.

Confronto processi VS thread

Soluzioni adottate: single
threading vs multithreading

 In base alla capacità di un sistema di gestire a

livello kernel i thread, distinguiamo tra quattro
possibili scenari, ottenuti dalla combinazione delle
possibili situazioni:
◗singoloprocesso e threadsingolo;
◗singoloprocesso e threadmultiplo per processo;
◗multiploprocesso e threadsingolo per processo;
◗multiploprocesso e threadmultiplo per processo.

Soluzioni adottate: single
threading vs multithreading

 Queste quattro situazioni le possiamo riscontrare in

quattro diversi ambienti operativi:
◗MS-DOS: un solo processo utente e un solo thread;
◗UNIX: più processi utente ciascuno con un solo thread;
◗ supporto run time di Java (JVM): un solo processo, più
thread;
◗Linux, Windows NT, Solaris: più processi utente
ciascuno con più thread.

Soluzioni adottate: single
threading vs multithreading

Realizzazione di thread

 Gli ambienti operativi hanno due modalità per realizzare

un sistema multithreading a seconda che il kernel del
sistema operativo sia o meno a conoscenza della loro
esistenza

 se i thread vengono realizzati mediante chiamate al kernel

• si parla di Kernel-Level

 se i thread vengono realizzati da software mediante

procedure e librerie.
• si parla di User-Level

Realizzazione di thread

 User-Level

 sono quelli che vengono implementati grazie a delle

librerie apposite (thread package)
• contengono le funzioni per la creazione, terminazione,

sincronizzazione dei thread e per realizzare anche i meccanismi per il
loro scheduling

 nè la schedulazione e neppure lo switching con il cambio

di contesto coinvolgono il nucleo
• “ignora” la loro presenza e gestisce solamente i processi.

Realizzazione di thread

 I vantaggi di questa soluzione sono:

• l’efficienza di gestione

• in quanto i tempi di switching sono molto ridotti dato che non

richiedono chiamate al kernel

• hanno una grande flessibilità e scalabilità

• dato che lo scheduling può essere modificato e dimensionato volta

per volta in funzione della specifica situazione

• possono essere implementati su qualunque sistema

operativo

• hanno un alto grado di portatilità tra macchine e sistemi diversi

 L’esempio tipico di ambienti User Level è UNIX

Realizzazione di thread

 Kernel-Level

La gestione dei thread è affidata al kernel tramite
chiamate di sistema

 E’ il kernel che gestisce i thread come tutti gli altri

processi, li deve schedulare, sospendere e risvegliare
assegnandogli le risorse di sistema

 A differenza del caso precedente, se un thread si

sospende può naturalmente evolvere un secondo thread
generato dallo stesso processo, in quanto sono tra loro
schedulati in modo autonomo.



Realizzazione di thread

 Questo è proprio il vantaggio più significativo di questa

seconda soluzione unito al fatto che in architetture
multiprocessori si può sfruttare anche il parallelismo fisico

 inoltre lo stesso kernel può essere scritto come un

sistema multithread.

 Lo svantaggio principale è legato alla efficienza del

sistema dovuta ai tempi impiegati dal kernel per il cambio
di contesto durante la schedulazione

 Infatti risulta essere più complessa in quanto deve gestire

la copresenza di processi e thread

Thread POSIX

 Il modello ANSI/IEEE per i thread è definito dallo standard

POSIX (Portable Operating System Interface for
Computing Environments)

 Comprende un insieme di direttive per le interfacce

applicative (API) dei sistemi operativi

 I thread di POSIX sono chiamati Pthread

 Utilizzano la libreria <pthread.h>: in essa viene

definito il tipo pthread_t che sarà usato per definire i
thread nei programmi concorrenti creandoli all’interno di
un processo

 siamo nella situazione 4: thread multipli per processo.

Stati di un thread

Multiple Choice

Which of these statements is incorrect?

• By multithreading CPU’s idle time is minimized, and we can take maximum use of it

• By multitasking CPU’s idle time is minimized, and we can take maximum use of it

• Two thread in Java can have same priority

• A thread can exist only in two states, running and blocked

Multiple Choice

What is multithreaded programming?

• It’s a process in which two different processes run simultaneously

• It’s a process in which two or more parts of same process run simultaneously

• Its a process in which many different process are able to access same information

• Its a process in which a single process can access information from many sources

Multiple Choice

Which of these method of Thread class is used to Suspend a thread for a period of time?

• a) sleep()

• b) terminate()

• c) suspend()

• d) stop()

Multiple Choice

_______________ and __________________ are the types of synchronization.

• Process synchronization and thread synchronization

• multitasking and multithreading

• Interthread communication and mutual exclusion

• None

Multiple Choice

1. The capability to control the access of multiple threads to any shared resource is called_____________

• Synchronization

• Multitasking

• multithreading

• None

Multiple Choice

Which thread will be executed first if two threads have same priority

• They will fall in starvation and none will be executed.

• Both will be executed simultaneously

• It depends upon operating system

• They will be executed on first come first serve basis

Multiple Choice

How many threads does a process contains?

• 1

• 2

• multiple

• none

Multiple Choice

Which of these is not a thread state?

• new

• runnable

• killed

• terminated

Multiple Choice

Why to use synchronization?

• Avoiding thread interference

• Avoiding consistency problem

• Both

• None