FACULDADE PITÁGORAS DE TECNOLOGIA
Conceitos de thread
Faculdade PITÁGORAS – Outubro de 2012
Prof. Robert Gans
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Introdução (Threads)
•
Partes de um processo que compartilham mesmo espaço de endereçamento;
•
Sub-rotina de um programa executado paralelamente ao programa chamador (execução
concorrente de sub-rotinas);
•
Mais uma definição:
– Enquanto processos permitem que o sistema operacional execute mais de uma
aplicação ao mesmo tempo, as threads permitem que a aplicação execute mais de
um método ao mesmo tempo.
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Definição de thread
 Thread
■
■
■
■
É às vezes chamado de processo leve (LWP - light-weight process).
Existem threads de instrução ou threads de controle.
Os threads compartilham espaço de endereço e outras
informações globais com seu próprio processo.
Registradores, pilha, máscaras de sinal e outros dados
específicos de thread são nativos a cada thread.
 Os threads devem ser gerenciados pelo sistema
operacional ou pela aplicação de usuário.
 Exemplos: threads Win32, C-threads, threads em
java, etc.
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Definição de thread
Figura 4.1 Relação entre thread e processo.
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Vantagens/Desvantagens de threads
•
Vantagens:
– Desempenho:
• não existe necessidade de comunicação entre processos;
• utilização de multiprocessadores para um mesmo processo;
• um programa pode continuar sendo executado mesmo se parte dele estiver
bloqueada (um navegador pode permitir a interação do usuário em um thread
enquanto uma imagem é carregada em outro thread);
•
Desvantagem: o desenvolvimento de aplicações não é simples;
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Threads
•
Mais exemplos:
– Navegador Web:
• um thread para exibir imagens
• um thread para recuperar dados da rede
– Processador de texto:
• um thread para seqüência de teclas
• um thread para verificação ortográfica e gramatical
•
Para obter benefícios do uso de threads, aplicação deve permitir que partes do seu código
sejam executadas em paralelo de forma independente;
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Threads
•
Por que não dividir em vários outros processos?
– A criação de um processo e a mudança de contexto consome muito mais
recurso do que a criação de uma thread;
– Como cada processo possui espaço de endereçamento
comunicação entre processos é difícil e lenta;
•
próprio,
a
Exemplos de sistemas monothreads:
– MS-DOS e primeiras versões do Windows;
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Ambiente Multithreads
• Cada processo possui pelo menos um thread;
• Exemplo:
programa
independentes
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com
duas
sub-rotinas
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Ambiente Multithreads
• Processo fica responsável pela alocação de recursos, mas a
unidade escalonada é a thread;
• TCB: armazena contexto de hardware e informações sobre a
thread (prioridade, estado...)
• O TCB está para a thread assim como o PCB está para o
processo!
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Ambiente Multithreads
• Threads de um mesmo processo compartilham contexto de
software e espaço de endereçamento, mas não compartilham
contexto de hardware;
Contexto de
Hardware
Contexto
de hardware
Contexto
de hardware
Contexto
de hardware
Thread 1
Thread 2
Thread 3
Contexto de
software
Contexto de
Software
Programa
Espaço de
Endereçamento
Estrutura do processo
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Espaço de
endereçamento
Processo MULTITHREAD
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Ambiente Multithreads
Processo
Variáveis
Programa Principal
Thread_1
PC
SP
Contexto de
Hardware
...
Espaço de
endereçamento
Call Sub_1
Thread_2
Sub_1
Ret
PC
SP
Thread_3
Sub_2
PC
SP
Contexto de
Hardware
Fim
Contexto de
Hardware
Call Sub_2
...
Ret
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Ambiente Multithreads
• Threads são extremamente
cliente/servidor. Ex: SGBD;
utilizadas
em
ambientes
• Um único processo no servidor gera uma thread para cada
solicitação de cliente;
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Ambiente Multithreads
Processo servidor
Solicitações
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Thread
Thread
Thread
Processo cliente
Processo cliente
Processo cliente
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Motivação na criação de threads
 Os threads tornaram-se proeminentes por causa de
tendências subseqüentes em relação:
■
Ao projeto de software
● Maior simplicidade para exprimir tarefas inerentemente paralelas.
■
Ao desempenho
● Maior escalonamento para sistemas com múltiplos processadores.
■
À cooperação
● O custo operacional do espaço de endereço compartilhado é menor
que o da IPC.
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Motivação na criação de threads
 Todo thread transita entre uma série de estados de
thread distintos.
 Os threads e os processos têm muitas operações em
comum (por exemplo, criar, sair, retomar e
suspender).
 A criação de thread não requer que o sistema
operacional inicialize recursos compartilhados entre
os processos-pai e os respectivos threads.
■
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Isso reduz o esforço de criação e término de threads, em
comparação à criação e ao término de processo.
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Estados de thread: ciclo de vida de um thread
 Estados de thread
■
■
■
■
■
■
■
Estado
Estado
Estado
Estado
Estado
Estado
Estado
nascido
pronto (estado executável)
em execução
morto
bloqueado
de espera
adormecido
● O período de sono especifica por quanto tempo um thread ficará
adormecido.
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Estados de thread: ciclo de vida de um thread
Figura 4.2 Ciclo de vida do thread.
Em
sistemas
operacionais,
preemptividade ou
preempção é a
capacidade de alterar
a ordem de (ou tirar
de execução) um
processo
em
detrimento de outro
com uma prioridade
maior.
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Operações de thread
 As operações de thread não correspondem
precisamente às operações de processo.
■
Cancelar
● Indica que um thread deve ser terminado, mas não garante que o
thread será terminado.
● Os threads podem mascarar o sinal de cancelamento.
■
Associar
● Para que um thread primário aguarde até que todos os outros
threads terminem, ele se associa a esses threads.
● O thread que se associa é bloqueado até que o thread ao qual ele se
associou termine.
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Modelos de thread
 Três são os modelos de thread mais conhecidos:
■
■
■
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Threads de usuário
Threads de núcleo
Uma combinação de ambos
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Threads de usuário
 Os threads de usuário executam operações de
suporte a threads no espaço do usuário.
■
Isso significa que os threads são criados por bibliotecas em
tempo de execução que não podem executar instruções
privilegiadas nem acessar as primitivas do núcleo diretamente.
 Implementação de thread de usuário
■
Mapeamentos de thread muitos-para-um
● O sistema operacional mapeia todos os threads de um processo
multithread para um único contexto de execução.
● Vantagens
→ As bibliotecas de usuário podem escalonar seus threads para otimizar
o desempenho.
→ A sincronização é realizada fora do núcleo, e isso evita chaveamento
de contexto.
→ É mais portável.
Thread 4
Thread 3
Thread 2
Thread 1
Thread 0
● Desvantagens
→ O núcleo considera o processo multithread como um único thread de
controle.
▪ Isso pode fazer com que o desempenho fique abaixo do ideal
se um thread requisitar uma operação E/S.
▪ Não pode ser escalonado para executar em múltiplos
processadores ao mesmo tempo.empo.
Modo
usuário
Biblioteca
Kernel
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Modo
kernel
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Threads de usuário
Figura 4.3 Threads de usuário.
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Threads de núcleo
 Os threads de núcleo tentam resolver as limitações
dos threads de usuário mapeando cada thread para o
seu próprio contexto de execução.
■
O thread de núcleo oferece mapeamento de thread um-paraum.
● Vantagens: maior escalabilidade, interatividade e rendimento.
● Desvantagens: sobrecarga decorrente do chaveamento de contexto e
menor portabilidade em virtude de as APIs serem específicas ao
sistema operacional.
Kernel
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Thread 4
Thread 3
Thread 2
Thread 1
Thread 0
 Os threads de núcleo nem sempre são a solução ideal
para as aplicações.
Modo
usuário
Modo
kernel
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Threads de núcleo
Figura 4.4 Threads de núcleo.
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Combinação de threads de usuário e de núcleo
 Implementação da combinação de threads de
usuário (TMU) e de núcleo (TMK)
■ Mapeamento de threads muitos-para-muitos (mapeamento
de threads m-to-n)
TMU 5
TMU 4
TMU 3
TMU 2
TMU 1
TMU 0
● Em comparação com os mapeamentos de threads um-para-um,
esse mapeamento consegue reduzir a sobrecarga implementando o
reservatório de threads.
Modo
usuário
Biblioteca
TMK 0
TMK 1
TMK 2
TMK 3
Modo
kernel
Kernel
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Um processo pode ter
vários TMKs, e por sua
vez, um TMK pode ter
vários TMUs. O núcleo do
SO reconhece os TMKs e
pode
escalona-los
individualmente. Um TMU
pode ser executado em
um
TMK,em
um
determinado momento, e
no instante seguinte ser
executado em outro.
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Combinação de threads de usuário e de núcleo
Figura 4.5 Modelo de operação de thread híbrido.
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Término de threads
 Término de threads (cancelamento)
■
■
■
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É diferente de implementação de threads.
Se for terminado prematuramente, o thread pode provocar
erros sutis nos processos, porque vários threads compartilham
o mesmo espaço de endereço.
Determinadas implementações de thread permitem que um
thread determine quando ele pode ser terminado, a fim de
evitar que o processo entre em um estado inconsistente.
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