Quản lý luồng trong Unix, Win2000

Luồng (thread), còn gọi là quá trình nhẹ (lightweight process- lwp) hay tiểu trình, là một đơn vị cơ bản của việc sử dụng CPU. Luồng có mô hình tương tự tiến trình, trong việc xử lí tuần tự các chỉ thị máy.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN

Bài thảo luận

Môn: Hệ điều hành

Đề tà i

Quả n lý luồ ng trong Unix,

Win2000

Sinh viên thực hiện: Nguyên Chí Điện Phùng Văn Quyết

Đào Mạnh Cường Nguyễn Văn Huy

HÀ NỘI, 2009

MỤC LỤC

Trang

PHẦN I: Tổng quan về luồng

1,Luồng là gì……….3

2,Các loại luồng………3

3,Các mô hình luồng………4

PHẦN II: Cấp phát luồng 1,Lời gọi hệ thống và exec……… 6

2,Hủy luồng………13

3,Truyền thông giữa các luồng……….14

PHẦN III: Mô hình luồng trong win2000 và unix 1,Mô hình luồng trong win2000……… 15

2,Mô hình luồng trong unix……….16

Phần l: Tổng quan về luồng

1, Luồng là gì?

Luồng (thread), còn gọi là quá trình nhẹ (lightweight process- lwp) hay tiểu

trình, là một đơn vị cơ bản của việc sử dụng CPU Luồng có mô hình tương tự tiến trình, trong việc xử lí tuần tự các chỉ thị máy.

Cấu trúc luồng bao gồm một định danh luồng (thread ID), một bộ đếm chương trình, các tập thanh ghi và ngăn xếp (stack).

Do được định nghĩa như một tiến trình nhỏ, ta dễ thấy trong phạm vi một tiến trình, có thể có một hoặc nhiều luồng, mỗi luồng gồm: một trạng thái thực thi

luồng (running, ready), một lưu trữ về ngữ cảnh của processor khi luồng ở trạng

thái not running, các thông tin thống kê về việc sử dụng các biến cục bộ của luồng, một ngăn xếp thực thi Việc truy xuất đến bộ nhớ và tài nguyên tiến trình được chia sẻ với tất cả các luồng khác trong cùng một tiến trình Các luồng này có cùng một không gian địa chỉ, nhờ đó mà có thể chia sẻ các biến toàn cục của tiến trình và có thể truy xuất lên các vùng nhớ stack của nhau.

Các luồng chia sẻ thời gian sử lý của processor giống như cách của tiến trình, nhờ đó mà các luồng có thể hoạt động song song với nhau Trong quá trình thực thi của luồng nó có thể tạo ra các luồng con của nó.

2, Các loại luồng

Có hai loại luồng: luồng cấp người dùng và luồng cấp nhân Hỗ trợ luồng được cung cấp ở cấp người dung cho các luồng người dùng hoặc ở cấp nhân cho các luồng nhân.

Luồng nhân : được hỗ trợ trực tiếp bởi hệ điều hành, thực hiện việc

tạo luồng, lập thời biểu và quản lý không gian nhân Do việc quản lý được thực hiện bởi hệ điều hành, luồng nhân tạo và quản lý chậm hơn luồng người dùng Tuy nhiên, do được quản lý thời biểu, nếu một luồng thực hiện một lời gọi hệ thống nghẽn, nhân có thể lập thời biểu cho một luồng khác trong ứng dụng thực thi, giúp hệ thống không bị nghẽn Hiện nay, các hệ điều hành đều được hỗ trợ luồng nhân

Luồng người dùng : được hỗ trợ dưới nhân và được cài đặt bởi thư

viện tại cấp người dùng Thư viện cung cấp việc tạo luồng, lập thời biểu và quản

lý luồng mà không có sự hỗ trợ từ nhân, do đó các luồng ở cấp này thường

được tạo và quản lý nhanh Việc tiến trình bị tắc nghẽn khi thực hiện một lời gọi

hệ thống chỉ xảy ra khi nhân là đơn luồng (một dòng điều khiển)

3, Các mô hình luồng

Trong quá trình thực thi (running) một tiến trình có thể tạo ra một luồng

hoặc nhiều luồng con để phục vụ các yêu cầu của mình Chính vì thế mà ta có các mô hình đơn luồng và đa luồng.

Mô hình đơn luồng là mô hình mà tại một thời điểm khi một tiến trình

đưa ra yêu cầu thì nó sinh ra một luồng điều khiển đơn cho phép chỉ thực hiện một yêu cầu của tiến trình tại thời điểm đó.

Mô hình đa luồng là mô hình mà tại một thời điểm, khi tiến trình đưa ra

các yêu cầu thì nó có thể sinh ra nhiều luồng điều khiển để thực hiện các yêu cầu đó tại cùng thời điểm.

Nhiều hệ điều hành cung cấp sự hỗ trợ cả luồng nhân và luồng người dùng, nên từ đó tạo ra nhiều mô hình đa luồng khác nhau Có ba loại mô hình

đa luồng thông thường:

+ Mô hình nhiều-một: ánh xạ nhiều luồng cấp người dùng tới một luồng

cấp nhân.Khi đó, vì chỉ một luồng có thể truy xuất nhân tại một thời điểm nên nhiều luồng không thể chạy song song trên nhiều bộ xử lý:

Hình1: Mô hình nhiều-một

+ Mô hình một-một: ánh xạ một luồng cấp người dùng tới một luồng cấp

nhân.cho phép nhiều luồng chạy song song trên các bộ xử lý khác nhau.Nhưng nhược điểm là khi tạo một luồng người dùng thì phải tạo một luồng nhân tương ứng:

Hình 2: Mô hình một-một

+ Mô hình nhiều-nhiều: ánh xạ nhiều luồng cấp người dùng tới nhiều

cấp nhân nhưng số lượng luồng người dùng phải nhỏ hơn hoặc bằng số lượng luồng nhân.

Hình 3: Mô hình nhiều-nhiều

Phần II Cấp phát luồng :

Trên lý thuyết, mỗi tiến trình sẽ có một không gian địa chỉ và một dòng xử

lý riêng Nhưng trong thực tế, có một số ứng dụng cần nhiều dòng xử lý cùng chia sẻ một không gian địa chỉ tiến trình Các dòng xử lý này có thể hoạt động song song với nhau như các tiến trình độc lập trong hệ thống Để thực hiện điều này,các hệ điều hành đưa ra một số cơ chế thực thi mà ta gọi là luồng Khi một tiến trình đang thực thi đưa ra các yêu cầu, trình phục vụ sẽ nhận yêu cầu và tạo ra luồng riêng để phục vụ yêu cầu đó.

1, Lời gọi hệ thống fork và exec

Các hệ điều hành dùng lời gọi hệ thống fork và exec để cấp phát luồng Trong một chương trình đa luồng, ngữ nghĩa của lời gọi hệ thống fork và exec thay đổi.

Nếu một luồng trong lời gọi chương trình fork thì quá trình mới sao chép lại qua trình tất cả luồng hoặc một quá trình đơn luồng mới.Một số hệ Unix chọn việc sử dụng hai ấn bản của fork, một sao chép lại tất cả luồng và một sao chép lại chỉ luồng được nạp lên lời gọi hệ thống, phụ thuộc vào ứng dụng của luồng Còn nếu một luồng nạp lời gọi hệ thống exec thì chương trình được nạp trong tham số exec sẽ thay thế toàn bộ quá trình-chứa tất cả các luồng và các quá trình tải nhẹ.

Một số lời gọi hệ thống :fork,wait,signal,exec,brk,shell,init…Trong đó:

-Fork(): Tạo ra một tiến trình mới.

-Exec(): Cho phép một tiến trình kích hoạt một chương trình “mới”.Bản

chất của ‘exec’ là biến tiến trình gọi thành tiến trình mới Tiến trình mới là một tệp thực thi và mã của nó sẽ “ghi đè ” lên không gian của tiến trình gọi ,vì vậy

sẽ không có giá trị trả về kho exec thành công

FORK

Sự tạo lập một tiến trình mới được thực hiện bằng lời gọi hệ thống

fork.Fork() cho phép một tiến trình lập một bản sao của nó,trừ bộ định dạng tiến trình.Tiến trình gốc tự nhân bản chính nó được gọi là tiến trình cha và bản sao tạo ra gọi là tiến trình con.

Cú pháp như sau:

Pid = fork()

Khi thực hiên xong ,hai tiến trình trên có hai bản sao user lever context như nhau và với các giá trị trả lại pid khác nhau:

- trong bản thân mã của tiến trình bố, pid là số định danh của tiến

trình con;

- trong bản thân mã của tiến trình con, pid=0 thông báo kết quả tạo

tiến trình là tốt;

các bước thực hiện fork như sau:

1.cấp cho tt mới một đầu vào (entry) trong process table;

2.gán cho tt con một số định danh duy nhất;

3.tạo ra bản sao logic bối cảnh của tiến trình bố cho tiến trình con.Vì một

số phần của tiến trình có thể chia sẻ giữa các tiến trình ,kernel sẽ tăng tốc các

số đếm quy chiếu vào các miền đó thay vì sao chép miền trong bộ nhớ vật lý 4.tăng số đếm quy chiếu trong bảng các tệp mở (file table) kết hợp với tiến trình ,tiến trình con thừa kế sử dụng , tức là cả hai thao tác trên cùng một tệp,bảng inode (inode table) vì tiến trình con tồn tại trong cùng thư mục hiện hành của tiến trình bố ,nên số truy nhập tệp thư mục +1.

5.trả lại số định danh ‘pid’ của tiến trình con cho tiến trình bố.

CHƯƠNG TRÌNH C TẠO TIẾN TRÌNH CON

#include<stdio.h>

main(int argc, char* argv[])

{

Int pid;

/*fork another process*/

pid=fork();

if(pid<0)

{ /*error occurred */

printf(stderr, “Fork Failed”);

exit(-1);

}

else if (pid==0)

{ /*child process*/

execlp(“/bin/ls”,”ls”,NULL);

}

Else

{ /*parent process*/

/*parent will wait for the child to complete*/

wait(NULL);

printf(“Child Complete”);

exit(0);

}

}

THU T TOÁN FORK Ậ

Thực tế thuật toán fork() không đơn giản vì TT mới có thể đi vào thực hiện ngay

và phụ thuộc

vào hệ thống kiểu swaping hay demand paging Để đơn giản chọn hệ với swaping

và giả định

rằng hệ có đủ bộ nhớ để chứa TT con, thuật toán sẽ như sau:

fork()

input: none

output: - PID for parent process /* Process ID*/

- 0 to child process;

{

.check for available kernel resources;

.get free process table entry (slot), unique ID number;

.check that user not running too many processes;

.mark child state is “ being created“;

.copy data from parent process table entry to new child

entry;/*dup*/

.increment counts on current directory inode and changed root (if applicable);

.increment open file counts in file table;/*Ref count of fds = +1*/ make copy of parent context (u_area, text, data, stack) in mem-ory;

/*create user level context (static part) now in using

dupreg(), attachreg().

Except that the content of child’s u_area are initally the same as of parent’s,but can diverge after completion of the fork: the pionter to its process table slot Note that, if nows parent open new file, the child can’t access to it !!! */

push dummy system level context layer onto child system level context; /*Now kernel create the dynamic context for child: copy parent context layer 1 containing the user saved register context and the kernel frame stack of the fork system cal If kernel stack is part of u_area, kernel automaticlly create child kernel stack when create the child u_area If other method is used, the copying is needed to the private memory associated with chile process Next kernel creates dummy context layer 2 for child containing the saved register context for lauer 1, set program counter other regs to restore the child context, even

it had never executed before and so that the child process to recognize itself as child when it runs Now kernel tests the value register reg0 to decide if process is parent (reg0=1) or child (reg0=0).*/;

.if (executing process is parent process)

{ /* After all, kernel set child to “ready to run in memory”, re-turn PID to user*/

.change child state to “ready to run“;

.return(child PID); /*from system to user*/

}

.else

{ /* and it start running from here when scheduled executing

process is the child process: Child executes part of the code for fork() according to the program counter that kernel

re-stored from the saved regiter context in context layer 2, and return a 0 from the fork()*/

initialize u_area timing field;

return(0); /*to user*/

}

}

EXEC

GHT exec sẽ kích hoạt một chương trình khác, phủ lên không gian bộ nhớ của TT gốc bằng bản sao của tệp thực thi Nội dung của user - level context có trước exec sau đó không truy nhập được nữa, ngoại trừ các thông số của exec mà

kernel đã sao chép từ không gian địa chỉ cũ sang không gian địa chỉ mới PID của

TT củ không đổi và TT mới do exec tạo ra sẽ nhận PID đó.

execve (filename, argv, envp)

filename: tên tệp thực thi sẽ kích hoạt,

argv: trường các con trỏ kí tự trỏ vào các xâu kết thúc bằng kí tự NULL Các xâu

này tạo thành danh sách đối đầu vào cho TT mới được tạo

envp: con trỏ trỏ vào các xâu kí tự tạo thành môi trường của tệp thực thi.

Trong thư viện C có sáu exec như sau:

execl (const char * pathname, const char *arg0, … / * (char *) 0 */ );

execv (const char * pathname, char *const argv[ ]);

execle (const char * pathname, const char *arg0, … /*( char *) 0, char *const envp [ ]

*/ );

execve (const char * pathname, char *const argv[ ], char *const envp [ ] );

execlp (const char * filename, const char *arg0, … / * (char *) 0

*/ );

execvp (const char * filename, char *const argv [ ] );

d nh ta dùng b ng sau

Các chử cái có ý nghĩa như sau:

p: hàm lấy đối filename và dùng biến mmôI trường PATH để tìm tệp thực thi; l: Hàm lấy một danh sách các đối là sự loại trừ lẫn nhau với v;

v: hàm lấy đối ở argv[ ];

e: Hàm lấy đối môI trường từ envp[ ] thay cho môI trường hiện hành

Khi một chương trình dùng dòng lệnh:

main(argv, argv)

thì trường argv là bản sao của thông số argv cho exec Các xâu kí tự trong envp

có dạng “

name = value” và chứa các thông tin hữu ích cho chương trình (chẳng hạn user’s home

directory, đường dẫn tìn tệp thực thi) TT truy nhập các biến môi trường của nó

qua biến tổng

thể environ được khởi động bằng chu trình thực thi (routine) của C.

exec()

input: 1 file name

2 parameter list

3 environment variables list

output: none

{

.get file inode(namei());

.verify file is executable, user has permission to execute; read file header, check that it is a load module;

.copy exec parameters from old address space to system space;

.for (every region attached to process)

detach all old region;

.for (very region specified in load module)

{

allocate new regions;

attach the regions;

load region into memory if applicable;

}

.copy exec parameters into new user stack regions;

.special processing for setuid programs, tracing;

.initialize user register save area for return to user mode; release inode of file;

}

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include "ourhdr.h"

char *env_init[ ] = { "USER=unknown", "PATH=/tmp", NULL }; int

main(void)

{

pid_t pid;

if ( (pid = fork()) < 0)

err_sys("fork error");

else if (pid == 0) { /* specify pathname, specify environment */

if (execle("/home/SV1/bin/echoall",

"echoall", "myarg1", "MY ARG2", (char *) 0,

env_init) < 0)

err_sys("execle error");

}

if (waitpid(pid, NULL, 0) < 0)

err_sys("wait error");

if ( (pid = fork()) < 0)

err_sys("fork error");

else if (pid == 0) { /* specify filename, inherit environment */

if (execlp("echoall",

"echoall", "only 1 arg", (char *) 0) < 0)

err_sys("execlp error");

}

exit(0);

Viê ̣c sử du ̣ng 2 ấn bản fork phu ̣ thuô ̣c vào ứng du ̣ng Nếu exec bị hủy ngay sau khi phân nhánh thì viê ̣c sao chép lại tất cả luồng là không cần thiết khi chương trình được xác định trong các tham số exec sẽ thay đổi quá trình Trong trường

hơ ̣p này, viê ̣c sao chép la ̣i sẽ chỉ go ̣i luồng hợp lý Tuy nhiên, nếu quá trình riêng biê ̣t này không go ̣i exec sau khi phân nhánh thì quá trình phân biê ̣t này nên sao chép la ̣i tất cả các luồng

2, Hủy luồng

Hủy luồng là một tác vụ kết thúc luồng trước khi nó hoàn thành Khi đó, một luồng bị hủy được xem như một luồng đích Sự hủy bỏ một luồng đích thường xảy ra hai viễn cảnh sau:

Hủy bất đồng bộ: một luồng lập tức kết thúc luồng đích.

Hủy trì hoãn: luồng đích có thể kiểm tra định kì nếu nó sắp kết

thúc.Cho phép luồng đích có cơ hội tự kết thúc có thứ tự

Trong việc hủy luồng ta gặp phải một số khó khăn như là: khi tài nguyên được cấp phát tới một luồng bị hủy, hoặc một luồng bị hủy khi việc cập nhật dữ liệu đang xảy ra giữa chừng, nhưng nó đang chia sẻ với các luồng khác, sự hủy bất đồng bộ trở nên khó khăn, hệ điều hành đòi lại tài nguyên nhưng không đòi được, do đó gây ra việc giải phóng hết tài nguyên của hệ điều hành Đối với hủy trì hoãn thì sự hủy sẽ xảy ra khi luồng đích kiểm tra và xác định nó có hủy được hay không

Hầu hết, hê ̣ điều hành cho phép một quá trình sao cho một luồng bị hủy bất đồng bộ, khi hệ điều hành cài đặt Pthread API (thư viện cài đặt đặc tả tạo và đồng bộ luồng) sẽ cho phép sự hủy có trì hoãn

3, Truyền thông giữa các luồng

Như đã nói ở trên, các luồng trong một tiến trình chia sẻ với nhau không gian địa chỉ chung, nhờ đó mà các luồng có thể chia sẻ các biến toàn cục của tiến trình và có thể truy xuất lên các vùng nhớ stack của nhau Các luồng chia sẻ thời gian xử lý của processor giống như cách của một tiến trình Nhờ đó mà các luồng

có thể hoạt động song song với nhau.Trong quá trình thực thi của luồng, nó cũng

có thể tạo ra các luồng con của nó Điều đáng chú ý là có nhiều luồng trong phạm vi một tiến trình đơn

Các hệ điều hành khác nhau có cách tiếp cận mô hình khác nhau, trong đó có mô hình luồng từ mô hình tác vụ Trong hệ thống tồn tại một không gian địa chỉ ảo để lưu trữ tác vụ và một cơ chế bảo vệ truy cập các file, các tài nguyên vào

ra và các tiến trình khác