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Markus Klußmann, Amjad SaadehInstitut für Informatik
Pthreads
Pthreads
von Markus Klußmann und Amjad Saadeh
Pthreads, 19.12.2012 2
Inhalt
- Was sind Threads?- Prozess vs. Thread
- Kurzer Überblick POSIX- Threads im Betriebssystem- Erzeugung und Verwaltung von Threads- Koordination von Threads
- Datenverwaltung- Mutex- und Conditions-Variablen
- Thread-Scheduling- Prioritäten- Prioritätsinversion
- Programmiermodelle mit Threads- Anwendungsbeispiele
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Was sind Threads?
- Übersetzung: Ausführungsfaden- teilen sich den gleichen Adressraum / Speicher- nur Ausführungsstapel privat- gehören immer zu einem Prozess- können parallel zueinander laufen- viele Implementierungen dieses Modells:
- Java-Threads- Python-Threads- Pthreads
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Prozess vs. Threads
Prozess- eigener Adressraum- => privater Speicher- Daten müssen „aufwendig“ übermittelt
werden- werden immer vom Betriebssystem
verwaltet werden
Thread- gemeinsamer Adressraum- => gemeinsamer Speicher / Heap- Verwaltung übernimmt
Threadbibliothek- können aber vom Betriebssystem
unterstützt / verwaltet werden
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Kurzer Überblick POSIX
- „Portable Operation System Interface“- erste Version 1988 verabschiedet (IEE Std 1003.1-1988)- aktuelle Version IEEE Std 1003.1-2008- Pthreads ab 1995- definiert u.a.:
- C-Systemaufrufe und C-Header- einige Hilfsprogramme- grundlegende I/O-Schnittstellen
- (teilweise) kompatible Betriebssysteme:- Linux (Distributionsabhängig)- Mac OS X- Windows (mit entsprechenden Erweiterungen)- Solaris
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Threads im Betriebssystem
Wie werden Threads verwaltet?
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Keine Unterstützung durch OS
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1:1 Abbildung
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m:n Abbildung
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Beispiel: Solaris
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Erzeugung und Verwaltung von Threads
- erzeugen durch:int pthread_create(
pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine)(void *),void *arg)
- warten bis Thread beendet ist:int pthread_join(pthread_t thread, void **valuep)
- falls kein join für Thread vorliegt:int pthread_detach(pthread_t thread)
- Thread von außen abbrechen:int pthread_cancel(pthread_t thread)
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Erzeugung und Verwaltung von Threads
Beispiel: Matrix-Multiplikation
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Erzeugung und Verwaltung von Threads
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Koordination von Threads
Wie kommunizieren Threads?
Wie vermeide ich Konsistenzkonflikte?
Wie beende ich den Trhead?
Wie vermeide ich Deadlocks?
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Datenverwaltung- globale Variablen
- liegen im gemeinsamen Speicher- können Pointer auf Heap sein => gemeinsamer Speicher
int i;
void add() { i++; }
int main(int argc, char* argv[]) {
int num;
scanf(„%i“, argv[1], &num);
pthread_t threads[num];
int j;
for (j=0; j < num; j++) pthread_create(*(threads[j]));
for (j=0; j < num; j++) pthread_join(*(threads[j]));
printf(„%i\n“, i);
return;
}
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DatenverwaltungSchlüssel- Schlüssel als globale Variable- jeder Thread hat eigenen Datensatz der an Schlüssel gebunden ist- sofern keine Daten von Thread gesetzt: NULL
pthread_key_t key;
void print_test() {
int* num = pthread_getspecific(key);
printf(„%i“, *num);
}
void test() {
int num = random_number;
pthread_setspecific(key, &num);
print_test();
}
int main(int argc, char* argv[]) {pthread_key_create(key);
pthread_t threads[4];int i;for (i=0; i<4; i++) pthread_create(*(threads[i]));for (i=0; i<4; i++) pthread_join(*(threads[i]));
return;
}
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Mutex- und Conditionvariablen
- Synchronisation an manchen Stellen notwendig bzw. ratsam- z.B.: zwei Threads sollen die gleiche Variable manipulieren- => ein Thread sollte warten bis der andere fertig ist- Lösungen:
- Busy-Waiting- wartenden Thread blockieren
- Mutexvariablen für gegenseitigen Ausschluss- Conditionvariablen zum realisieren von Signalmechanismen
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Mutex- und Conditionvariablen
Mutex:phtread_mutex_lock(&randomly_chosen_mutex);
// kritische Manipulation
pthread_mutex_unlock(&randomly_chosen_mutex);
Condition:
phtread_mutex_lock(&condition_mutex);
while (!condition) {
pthread_cond_wait(&condition_var, contition_mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&condition_mutex);
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Beispiel: Read-Write-Lock
typedef struct {
int reader;
bool writer;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
} rw_lock;
void rw_lock_init(rw_lock *rwl) {
rwl>reader = 0;
rwl>writer = false;
pthread_cond_init(&(rwl>mutex), NULL);
pthread_mutex_init(&(rwl>cond), NULL);
}
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Beispiel: Read-Write-Lock
void read_lock(rw_lock *rwl) {
pthread_mutex_lock(&(rwl>mutex));
while (rwl>writer)
pthread_cond_wait(&(rwl>cond), &(rwl>mutex));
rwl>reader++;
pthread_mutex_unlock(&(rwl>mutex));
}
void read_unlock(rw_lock *rwl) {
pthread_mutex_lock(&(rwl>mutex));
rwl>reader;
if (rwl>reader == 0)
pthread_cond_signal(&(rwl>cond));
pthread_mutex_unlock(&(rwl>mutex));
}
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Beispiel: Read-Write-Lock
void write_lock(rw_lock *rwl) {
pthread_mutex_lock(&(rwl>mutex));
while ((rwl>reader > 0) || rwl>writer)
pthread_cond_wait(&(rwl>cond), &(rwl>mutex));
rwl>writer = true;
pthread_mutex_unlock($(rwl>mutex));
}
void write_unlock(rw_lock *rwl) {
pthread_mutex_unlock(&(rwl>mutex));
rwl>writer = false;
pthread_cond_broadcast($(rwl>cond));
pthread_mutex_unlock(&(rwl>mutex));
}
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Thread Scheduling
Wie kann der Programmierer das Thread-Scheduling beeinflussen?
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Thread Scheduling
- nur möglich, wenn POSIXTHREAD_PRIORITY_SCHEDULING Macro definiert ist
- kann zur Laufzeit festgestellt werden
- für Scheduling muss eine Datenstruktur vom Typ struct shed_param existieren
- int shed_priority (zwingend benötigt)
- Veränderung zur Laufzeit möglich
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Priorität
- wie bevorzugt wird dieser Thread vom Bibliotheks-Scheduler behandelt- es gibt eine maximale Priorität (von Bibliothek vorgegeben)- es gibt eine minimale Priorität (von Bibliothek vorgegeben)
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Scheduling Methoden
- SHED_FIFO (First In First Out)
- SHED_RR (Round Robbin)
- SHED_OTHER (Bibliotheksabhängig)
- kann zur Laufzeit geändert werden
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SHED_FIFO (First In First Out)
- eine Warteschlange für jede Priorität
- immer der erste Thread aus Schlange höchster Priorität
- wird neuer Thread mit höherer Priorität als der aktuelle eingefügt:
→ aktuellen Thread unterbrechen und wichtigeren ausführen
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SHED_RR (Round Robbin)
- CPU Zeit wird in Zeitscheiben aufgeteilt- Länge der Zeitscheiben ist von der Bibliothek vordefiniert- es wird nur die höchste Prioritätsebene betrachtet- die Prozesse in der höchsten ebene sind nacheinander an der Reiche und
können so lange rechnen wie die Zeitscheibe ist.
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SHED_OTHER (Bibliotheksabhängig)
- nicht zwingend implementiert- vorhanden um sich an das Betriebssystem anpassen zu können- meist Prioritätsanpassung an I/O-Verhalten
- interaktive Threads bevorzugt- rechenintensive Threads benachteiligt
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Scheduling Bereich
- gibt an welche anderen Threads beim Scheduling beachtet werden
- PTHREAD_SCOPE_PROCESS
- prozesslokales Scheduling- führt meist zu besseren Ergebnissen
- PTHREAD_SCOPE_SYSTEM
- globales Scheduling
- Kann mit pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope) gesetzt werden
- Kann mit pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *attr, int *scope) gelesen werden
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SCS
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PCS
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Prioritätsinversion
- Probleme mit Mutexvariablen verhindern durch Anpassung der Priorität
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Prioritätsinversion
- Mechanismen zur Umgehung
- Prioritäts-Obergrenze (PTHREAD_PRIO_PROTECT)
- Prioritätsvererbung (PTHREAD_PRIO_INHERIT)
- nichts (PTHREAD_PRIO_NONE)
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Prioritäts-Obergrenze
- Konstante POSIX_THREAD_PRIO_PROTECT muss definiert sein
- Priorität der Obergrenze muss definiert werden- Thread der Mutexvariable sperrt bekommt die vordefiniert Priorität- zur Vermeidung von Prioritätsinversion muss diese Priorität gleich der höchsten
Priorität sein- niedriger Laufzeitaufwand- nicht fair (besonders wenn variable lange gesperrt wird)
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Prioritätsvererbung
- Priorität eines Mutexinhabers wird angehoben sobald ein Thread höherer Priorität zugreifen möchte
- nach Freigabe erhält er seine ursprüngliche Priorität zurück- hoher Laufzeitaufwand- fairer, weil Priorität gleich bleibt
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Programmiermodelle mit Threads
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Master-Slave-Modell
- Master-Thread weist Slave-Threads Aufgaben zu
- Slave-Threads arbeiten diese ab und warten dann wieder auf Anweisungen des Master-Threads
Aufgabenverteilung
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Worker-Modell
- arbeiten Aufgaben weitgehend unabhängig ab
- Worker können neue Aufgaben anlegen
- gut mit globalem Taskpool zu implementieren
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Pipeline-Modell
- Aufgabe wird Stufe für Stufe abgearbeitet
- Zwischenergebnisse werden von Thread zu Thread weitergereicht
Input
Output
Stufe 1
Stufe 3
Stufe 4
Stufe 2
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Client-Server-Modell
- Client-Thread stellt Anfrage an Server-Thread
- Server-Thread übergibt Ergebnis an Client zurück
- Bsp.:- GUI läuft als Client-Thread- eigentliche Berechnung
übernimmt Server-Thread
Client Server
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Anwendungsbeispiele
- Server- Spiele- Video-/Bildbearbeitung- Datenkompression (pbzip)- Alle Anwendungen die größtenteils unabhängige Teilaufgaben durchführen- Livedemo: Primzahlfilter (Quellcode: http://goo.gl/kXamB)
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Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Prioriätsinversion
http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009604599/functions/pthread_mutexattr_getprotocol.htmlhttp://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/
Thomas Rauber, Gudula Rünger: Parallele Programmierung, Springer 2012
Margarita Esponda: OS_V8_Scheduling_Teil_2.key.pdf
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