PDF de programación - Programación Concurrente - Bloque II: Programación concurrente en POSIX - Tema 3. Gestión de Threads

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Master en Computación

Programación Concurrente

Bloque II: Programación concurrente en POSIX

Tema 1.
Tema 2. Sistema Operativo MaRTE OS

Introducción al estándar POSIX

Tema 3. Gestión de Threads

Tema 4. Gestión del Tiempo
Tema 5. Planificación de Threads
Tema 6. Sincronización
Tema 7. Señales
Tema 8. Temporizadores y Relojes de Tiempo de Ejecución

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Tema 3. Gestión de Threads

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Tema 3. Gestión de Threads
3.1. Procesos y threads
3.2. Threads POSIX: conceptos básicos
3.3. Creación de threads
3.4. Terminación de threads
Identificación de threads
3.5.
3.6.
Implementación de la concurrencia a nivel de threads

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3.1 Procesos y threads
El modelo de proceso proporciona protección, pero es inadecuado
para sistemas que requieren alta eficiencia:

3.1 Procesos y threads

• Tiempos de cambio de contexto altos
• Tiempos de creación y destrucción altos
• Necesidad de hardware especial (MMU)

Proc 3

espacio de direcciones
del proceso

Proceso en
ejecución

Proc 2

Proc 1

Proc n

Otros

procesos

Tabla de páginas

de memoria

MMU

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Threads
(cont.)
POSIX.1 define interfaces para soportar múltiples threads o flujos
de control en cada proceso POSIX

3.1 Procesos y threads

• Los threads de un proceso comparten un

único espacio de direcciones

• El estado asociado es pequeño
• Los tiempos de cambio de contexto son

menores

• Los tiempos de creación y destrucción

son menores

• Son similares a las tareas de un kernel de

tiempo real de alta eficiencia

Proceso

Thread

Thread

Thread

Thread

Sistema mínimo (MaRTE OS): existe un único proceso

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3.2 Threads POSIX: conceptos básicos

3.2 Threads POSIX: conceptos básicos
Thread:

• un flujo de control simple perteneciente a un proceso
• tiene un identificador de thread (tid)
• el tid solo es válido para threads del mismo proceso
• tiene su propia política de planificación, y los recursos del

sistema necesarios, tales como su propio stack, etc

• todos los threads de un proceso comparten un único espacio

de direccionamiento

Proceso en una implementación multi-thread:

• un espacio de direccionamiento con uno o varios threads
• inicialmente contiene un solo thread: el thread principal
• el thread principal es un thread más, salvo que cuando él

termina, todos los demás también

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3.2 Threads POSIX: conceptos básicos

Threads POSIX: conceptos básicos (cont.)
Servicios bloqueantes:

• sólo se suspende el thread que invoca el servicio

En MaRTE OS sobre Linux se bloquea todo el proceso

Los threads tienen dos estados posibles para controlar la
devolución de recursos al sistema:
• “detached” o independiente: PTHREAD_CREATE_DETACHED
- cuando el thread termina, devuelve al sistema los recursos
utilizados (tid, stack, etc)
- no se puede esperar su terminación
• “joinable” o sincronizado: PTHREAD_CREATE_JOINABLE
- cuando el thread termina, mantiene sus recursos
- se liberan cuando otro thread llama a pthread_join()
- por defecto un thread es "joinable"

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Tema 3. Gestión de Threads

3.3 Creación de threads

3.3 Creación de threads
Para crear un thread es preciso definir sus atributos en un objeto
especial (pthread_attr_t)
El objeto de atributos
• debe crearse antes de usarlo: pthread_attr_init()
• puede borrarse: pthread_attr_destroy()
• se pueden modificar o consultar atributos concretos del objeto

(pero no los del thread, que se fijan al crearlo)

Los atributos definidos son:

• tamaño de stack mínimo (opcional)
• dirección del stack (opcional)
• control de devolución de recursos (“detach state”)
• atributos de planificación (tema 5)

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3.3 Creación de threads

Atributos de creación: interfaz
#include <pthread.h>
int pthread_attr_init (pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy (pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_setstacksize (pthread_attr_t *attr,
size_t stacksize);
int pthread_attr_getstacksize (const pthread_attr_t *attr,
size_t *stacksize);
int pthread_attr_setstackaddr (pthread_attr_t *attr,
void *stackaddr);
int pthread_attr_getstackaddr (const pthread_attr_t *attr,

void **stackaddr);

int pthread_attr_setdetachstate (pthread_attr_t *attr,
int pthread_attr_getdetachstate (const pthread_attr_t *attr,

int detachstate);
int *detachstate);

PTHREAD_CREATE_DETACHED
PTHREAD_CREATE_JOINABLE

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Llamada para creación de threads
Interfaz:

3.3 Creación de threads

int pthread_create(pthread_t *thread,
const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine)(void *),
void *arg);

Esta función:
• crea un nuevo thread con atributos especificados por attr
• devuelve el tid del nuevo thread en thread
• el thread se crea ejecutando start_routine(arg)
• si start_routine termina, es equivalente a llamar a
pthread_exit (observar que esto difiere del thread main)

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Ejemplo de creación de threads

3.3 Creación de threads

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <misc/error_checks.h>
// Thread que pone pseudo-periódicamente un mensaje en pantalla
// el periodo se le pasa como parámetro
void *periodic (void *arg) {

int period;
period = *((int *)arg);
while (1) {

printf("En el thread con periodo %d\n",period);
sleep (period);

}

}

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Ejemplo de creación de threads (cont.)

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3.3 Creación de threads

// Programa principal que crea dos threads pseudo-periódicos
int main ()
{

pthread_t th1,th2;
pthread_attr_t attr;
int period1=2
int period2=3;
// Crea el objeto de atributos para crear threads independientes
CHK( pthread_attr_init(&attr) );
CHK( pthread_attr_setdetachstate(&attr,
PTHREAD_CREATE_DETACHED) );
// Crea los threads
CHK( pthread_create(&th1, &attr, periodic, &period1) );
CHK( pthread_create(&th2, &attr, periodic, &period2) );
// Les deja ejecutar un rato y luego termina
sleep(30);
printf("thread main terminando \n");
exit (0);

}

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3.4 Terminación de threads

3.4 Terminación de threads
Función para terminación de threads:

#include <pthread.h>
void pthread_exit (void *value_ptr);

Esta función termina el thread y hace que el valor apuntado por
value_ptr esté disponible para una operación “join”
• se ejecutan las rutinas de cancelación pendientes
• al terminar un thread es un error acceder a sus variables locales

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Terminación de threads
(cont.)
Se puede esperar (join) a la terminación de un thread cuyo estado
es sincronizado (joinable), liberándose sus recursos:

3.4 Terminación de threads

#include <pthread.h>
int pthread_join (pthread_t thread,
void **value_ptr);

También se puede cambiar el estado del thread a “detached”, con
lo que el thread, al terminar, libera sus recursos:
#include <pthread.h>
int pthread_detach (pthread_t thread);

Por defecto el estado de un thread es “joinable”

• Existen también funciones para cancelar threads, habilitar o
inhibir la cancelación, etc. (ver el manual).

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3.4 Terminación de threads

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Ejemplo: uso de pthread_join

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <misc/error_checks.h>
#define MAX 500000
#define MITAD (MAX/2)
typedef struct {
int *ar;
long n;
} subarray_t;
// Thread que incrementa n componentes de un array
void * incrementer (void *arg) {
long i;
subarray_t * subarray = ((subarray_t *)arg);
for (i=0; i < subarray->n; i++) {
subarray->ar[i]++;
}
return NULL;
}

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3.4 Terminación de threads

Ejemplo: uso de pthread_join (cont.)

// programa principal que reparte entre dos threads el trabajo
// de incrementar los componentes de un array
int main() {
int ar [MAX] = { 0 }; // inicializa los elementos a 0
pthread_t th1,th2;
subarray_t sb1,sb2;
long suma=0, i;
// crea los theads
sb1.ar = &ar[0]; sb1.n = MITAD; // primera mitad del array
CHK( pthread_create(&th1, NULL, incrementer, &sb1) );
sb2.ar = &ar[MITAD]; sb2.n = MITAD; // segunda mitad del array
CHK( pthread_create(&th2, NULL, incrementer, &sb2) );
// sincronizacion de espera a la finalizacion
CHK( pthread_join(th1, NULL) );
CHK( pthread_join(th2, NULL) );
printf ("Ambos threads han finalizado \n");
// muestra resultados
for (i=0; i<MAX; i++)
suma=suma+ar[i];
printf ("Suma=%d\n",suma);
return 0;
}

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3.5 Identificación de threads
Identificación del propio thread:

pthread_t pthread_self(void);

Comparación de tids:

int pthread_equal (pthread_t t1, pthread_t t2);

3.5 Identificación de threads

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3.6 Implementación de la concurrencia a nivel

3.6 Implementación de la concurrencia a nivel de threads

de threads

sta