Hebras

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Hebras

• Cecilia Hernández

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Qué es un proceso?

• Consiste
• Espacio de direccionamiento
• Código a ejecutar
• Datos estáticos y dinámicos
• Pila o stack
• CPU PC, SP y valores en registros de propósito
  general
• Conjunto de recursos
• Archivos, pipes, conecciones,etc

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Concurrencia y paralelismo

• Imaginar un servidor web que requiere manejar
  múltiples requerimientos concurrentemente
• Mientras verifica la tarjeta de crédito de un
  cliente, podría recuperar de disco la información
  para otro cliente o realizar una búsqueda para
  otro
• Imaginar un cliente web (web browser) que desee
  realizar múltiples requerimientos simultaneamente
• Múltiples búsquedas, lectura de mails, chat, etc
• Imaginar un programa paralelo ejecutándose en un
  multiprocesador, el cual no necesite concurrencia
  en términos de la multiplexación de una CPU
• Ejemplo típico, multiplicación de matrices,
  dividir las matrices en un k regiones y calcular
  la multiplicación de las k regiones en k CPUs

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Que se necesita?

• En cada uno de ejemplos por separado
• Todos los requerimientos quieren ejecutar el
  mismo código
• Gran parte de los datos son los mismos (excepto
  caso paralelo)
• Todos tienen los mismos privilegios
• Todos usan los mismos recursos (archivos abiertos
  y conecciones)
• Nos gustaría tener múltiples estados de ejecución
• Cada estado de ejecución requiere
• Estado en CPU
• Pila de ejecución y su puntero SP
• PC, indicando próxima instrucción a ejecutar
• Conjunto de valores de registros de propósito
  general

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Podemos hacer esto con procesos

• Podríamos crear varios procesos con fork() y
  hacer que cada uno atienda un requerimiento?
• Al crearse un proceso hijo
• Desempeño
• No tan bueno, porque SO ocupa tiempo y memoria
  para crear tabla de página y PCB de hijo
• Sin embargo, SO no copia datos y código, sino que
  sólo hace que tablas de páginas de procesos
  apunten a lo mismo
• COW (Copy On Write) SO asigna memoria a proceso
  hijo cuando desea escribir.

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Podemos hacerlo mejor

• Idea
• Separar concepto de proceso (espacio de
  direccionamiento, estado CPU, recursos)
• Que es lo mínimo que necesitamos para identificar
  un estado de ejecución?
• Estado de CPU A esto se le llama hebra de
  control
• Incluye estado PC,SP y valores registros
  generales
• También se le llama proceso liviano

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Hebras y procesos

• Mayoría de SOs modernos (Mach, NT, Unix, Linux)
  soportan
• Proceso, el cual define espacio de
  direccionamiento y recursos como archivos
  abiertos, conecciones, etc
• Hebra, define un flujo de ejecución secuencial
  dentro de un proceso
• Una hebra vive dentro de un proceso
• Múltiples hebras pueden vivir en un proceso
• Compartir datos entre hebras es barato, comparten
  mismo espacio de direccionamiento
• Crear hebras es rápido, manipulación del espacio
  de direccionamiento y estructura de datos de SO
  que conoce de hebras
• Hebras pueden pasar a ser unidades planificables
  por SO
• Procesos pasan a ser contenedores de hebras

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Hebras en sistemas/lenguajes disponibles
clave
UNIX antiguos
MS/DOS
Una hebra/proceso
Espacio direcc.
Una hebra/proceso
Un proceso
Muchos procesos
hebra
Java
Mach, NT, Linux,
Muchas hebras/proceso
Muchas hebras/proceso
Muchos procesos
Un proceso
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Proceso ayer/hoy
Stack hebra 1
SP (H1)
0xFFFFFFFF
Stack hebra 2
SP (H2)
Stack hebra 3
SP (H3)
Espacio de direccionamiento
heap (mem dinámica)
Datos estáticos (data segment)
código (text segment)
PC (H2)
PC (H1)
0x00000000
PC (H3)
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Proceso
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Hebras
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Separación Hebra/proceso

• Multithreading (concurrencia) útil para
• Manejar eventos concurrentemente
• Cuál es la ganada en una CPU?
• Construir programas paralelos
• Hebras se ejecutan en distintas CPUs
• Mejorando estructura de programas
• En lugar de crear múltiples procesos concurrentes
  crear múltiples hebras concurrentes
• Más rápido / menos memoria / más fácil compartir

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Quién crea/maneja hebras?

• Opción 1 Hebras de Kernel (SO)
• Llamadas a sistema permiten creación
• Asignar stack de ejecución dentro del espacio de
  direccionamiento de un proceso
• Crear e inicializar un TCB
• SP, PC, registros
• Planificación de hebras realizada por OS

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Quién crea/maneja hebras?

• Opción 2 Creadas y manejadas en nivel usuario,
  dentro de un proceso
• Una biblioteca linkeada con el programa que usa
  hebras
• Operaciones de creación, destrucción, etc sobre
  hebras son llamadas a procedimientos (no llamadas
  a sistema)
• Descritas como muchas to una
• Muchas hebras mapeadas a un proceso/hebra del
  kernel
• Biblioteca posee planificador de hebras creadas
  por proceso

proceso
Hebra kernel
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Ilustración hebras de kernel
Mach, NT, Linux,
Espacio Direccionamiento
kernel
hebra
CPU
Operaciones sobre hebras mediante llamadas a
sistema al kernel
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Hebras nivel usuario
Mach, NT, Linux,
Espacio de direccionamiento
Hebras de kernel
kernel
hebra
CPU
Kernel crea maneja hebras de kernel
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Manejando mejor hebras nivel usuario
Mach, NT, Linux,
Espacio de direccionamiento
Hebras kernel
kernel
hebra
CPU
Manejo hebras kernel
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Implementación de hebras nivel usuario

• Kernel ve a proceso como cualquier otro
• Hebras de nivel usuario invisibles al SO
• Pero proceso incluye funcionalidad proporcionada
  por biblioteca de hebras la cual tiene su propio
  planificador
• Planificador de biblioteca decide que hebra del
  proceso se ejecuta a determinado tiempo
• SO provee de llamadas a sistema no bloqueantes,
  de manera que si una hebra de usuario hace E/S
  biblioteca de hebras sabe que puede hacer cambio
  de contexto en hebras de usuario

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Hebras de nivel usuario

• POSIX Threads API
• En biblioteca libpthreads.so en linux
• t pthread_create(attributes, start_procedure)
• Crea hebra de control, que comienza ejecución en
  procedimiento dado
• Puede especificar creación de hebras nivel kernel
  en attributes
• pthread_cond_wait(condition_variable)
• Hebra se bloquea hasta que condición se cumple
• pthread_signal(condition_variable)
• Señaliza a hebra que espera por condicion
• pthread_exit()
• Termina la hebra
• pthread_join(t)
• Espera por hebra t hasta que termine

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Resumen

• Hebras de kernel son más eficientes que procesos
• Hebras de nivel usuario son más rápidas que las
  de kernel
• Operaciones no pasan a través de SO
• Si hebras de nivel usuario residen en un proceso
  representado por sólo una hebra de kernel
• No puede proporcionar paralelismo si solo una
  hebra de kernel asociada a proceso
• Si una hebra de proceso de usuario se bloquea en
  E/S entonces todo el proceso se bloquea
  (asumiendo que solo una hebra de kernel está
  asociada a proceso)
• Normalmente biblioteca maneja llamadas a sistema
  no bloqueantes por hebras de usuario de manera
  que pueda utilizar hebra de kernel para otra
  hebra de usuario