Параллельные процессы

Для чего нужны параллельные процессы и нити: оптимизация, ускорение
Как создается процесс: fork()
Как терминируется процесс: exit(), “kill -9 <pid>”, wait(NULL)
Как создается нить: phtread_create()
Как терминируется нить: a) нить создана - заканчивается функция нити b) осн.нить — return (pthread_join())
Какие трудности у программирования параллельных процессов и нитей: взаимодействие, синхронизация
Что такое разделяемые ресурсы: общие ресурсы
Какие разделяемые ресурсы у процессов: экран, клавиатура, файлы, разделяемая память, pipe, ...
Какие разделяемые ресурсы у нитей: экран, клавиатура, файлы, общая память (глобальные переменные, общие адреса)
Механизмы синхронизации процессов: семафоры, файлы, разделяемая память, pipe
Механизмы синхронизации нитей: мьютексы, семафоры

1. Процессы: мультизадачность.

азделение процессорного времени. Квант времени. Режим ожидания.

Напоминание:

3 состояния процесса: выполнение, ожидание ресурса, готов к выполнению

БИОС + ОС

Процесс — основное понятие ОС

Один процесс может породить другой процесс. Родительский → дочерний

Состояние процесса — состояние области памяти, состояние регистров процессора + ...

Регистры процессора — PC (Program Counter), SP (Stack Pointer), ...

Архитектуры процессоров: RISC (Restricted Instruction Set) и EISC (Extended ...)

ARM (RISC) – 38 (16 * 2 + ...)

Память (по степени убывания быстродействия, по степени убывания стоимости, по мере возрастания объема): регистры процессора, кэш память, оперативная память, внешняя память.

При переключении процессов — что делать с состоянием процесса, чтобы его возобновить. Сохранить. Состояние области памяти — сохраняется автоматически.

Состояние регистров — надо сохранить.

Создание процесса (дочернего): клонирование

Состояние дочернего процесса — выделяется область памяти, содержимое идентично содержимому родительского процесса, состояние регистров — такое же.

Пример.

Линукс — создать процесс очень просто: вызвать функцию fork();

int main() {

int id;

id = fork(); /* Для род.пр. - идентификатор дочернего процесса, для доч.пр. - 0 */

if (id != 0) {

printf(“I am an original\n”);

} else {

printf(“I am a clone\n”);

exit(1);

}

return 0;

}

Сигналы — убить (терминировать) процесс SIGKILL

$ ps

1090 a.exe

$ kill -9 1090

Нити — подпроцессы внутри процесса. Threads – нити (потоки)

Зачем нити?

1. Ускорение работы программы — если есть ожидание какого-то ресурса, то другие нити в это время могут выполнять, например, вычислительные действия.

2. Оптимизация работы — можно сокращать время ожидания. Пример — сервер. Для каждого клиента — отдельная нить.

Стандарт POSIX – pthread_create(), pthread_join()

6. Трудности

a) Представить работу нитей и их взаимодействие

b) Синхронизировать (не атомарный) доступ к разделяемым ресурсам

void run(void *arg);

int x=0;

pthread_t thread1, thread2;

int main() {

pthread_create(&thread1, NULL, run, NULL);

pthread_create(&thread2, NULL, run, NULL);

return 0;

}

void run(void *arg) {

++x;

}

Thread 1

R1 нити 1

R1 нити 2

Thread 2

LDR R1, &x;

INC R1;

STR R1, &x;

LDR R1, &x;

INC R1;

STR R1, &x;

Правильный ответ: 2.

Ответ неверный, т. к. операция увеличения x была прервана на середине (не атомарная)

Вывод: доступ к разделяемым ресурсам надо синхронизировать.

У нитей для этого используется мьютекс.

Mutex (взамоисключающий)

Код, выполнение которого нельзя прерывать, называется критическая секция

Для того, чтобы исключить прерывание выполнения критической секции, можно окружить ее вызовами следующих функций:

phtread_mutex_lock(); - внутри этой функции выполнение нити может быть остановлено

pthread_mutex_unlock(); - отпустить мьютекс → выполнение приостановленной нити возобновляется в функции phtread_mutex_lock(), следующая по очереди нить выходит из функции и заходит в критическую секцию.

Пример с мьютексами: http://mech.math.msu.su/~nap/2/Threads/threadtst.cpp

Пример с семафорами: http://mech.math.msu.su/~nap/2/Threads/semExample.cpp

Пример: 10 нитей должны по очереди напечатать свой номер.

Создаем 10 семафоров. Первому дает состояние 1, остальным 0.

Функция нити может быть одна на всех.

sem_t sem[10];

void run(void *arg) {

int num = *((int*)arg);

sem_wait(&sem[num]);

print("%d\n", num);

num = (num + 1) % 10;

sem_post(&sem[num]); // Поднимаем семафор для следующей нити

}

Семафор для процессов: процессы не взаимодействуют через память. Один и тотт же семафор для различных процессов разделяется:

1) либо это родительский и дочерний процессы: пока не разделились, то семафор общий, а после разделения ОС поддерживает это взаимодействие

2) если это не связанные процессы, то через имя семафора (именованный семафор).

Взаимодействие параллельных процессов

Процессы могут взаимодействовать друг с другом через некоторые объекты. Для этого они должны владеть информацией об этих объектах. Эта информация:
1) Для взаимодействия через файл - имя файла;

2) Для взаимодействия через разделяемую память (shared memory) - имя разделяемой памяти;

3) Для взаимодействия через именованную «трубку» pipe – имя трубки;

4) Для взаимодействия через безымянную «трубку» pipe – идентификатор открытой безымянной «трубки». В данном случае в момент создания «трубки» процессы должны иметь общее адресное пространство, то есть это родительский и дочерний процессы (http://mech.math.msu.su/~nap/2/Threads/pipe.cpp)

5) Для взаимодействия по сети - сетевой адрес и номер порта сетевого сокета;

Используя эту информацию, они получают доступ к неким объектам. Эти объекты, разделяемые между процессами, являются их разделяемыми ресурсами.

Работы с разделяемые ресурсами должна быть синхронизирована, то есть упорядочена. Для некоторых объектов работа с ними упорядочена на уровне системы: разделяемая память, сокеты, файлы. Для работы с другими разделяемыми объектами процессы должны использовать средства синхронизации. Например, нити для работы с разделяемым (то есть глобальными) переменными могут использовать мьютексы или семафоры.

Задача на синхронизацию нитей:

1. Программа создает три нити. Две глобальные переменные сначала содержат значения -1. Первая и вторая нить генерируют случайное целое число в диапазоне от 0 до 99 и записывают их в эти две глобальные переменные. После этого третья нить находит НОД этих чисел, выводит на экран оба числа и их НОД и записывает в глобальные переменные -1. Затем первая и вторая нити снова записывают случайные числа в глобальные переменные и так до бесконечности.

(Первые две нити ждут -1 в своих переменных, потом записывают случайные числа.

Третья нить ждет >= 0 в обеих переменных.)

(Синхронизируется изменение переменных).

2. Программа считывает с клавиатуры два целых числа, помещает их в две глобальные целые переменные и вычисляет их НОД следующим образом: две нити вычитают из большего числа меньшее: первая нить вычитает из первой переменной, вторая — из второй переменной. После нахождения НОД (то есть когда обе переменные принимают одинаковое значение) нити заканчивают работу и НОД выводится на экран.

(Мьютекс захватывается как для проверки значения переменной (???), так и для изменения значения переменной).