PDF de programación - Programación con Hilos

Programación con Hilos



Contenido

• Conceptos generales de programación paralela
• Programación con hilos
• Pthreads
• Sincronización
• Exclusión mutua (Mutex)
• Variables condición (Var Condition)



Preliminares: Computación Paralela

• Paralelismo: Múltiples cálculos que se realizan

simultáneamente.
– A nivel de instrucción (pipelining)
– Paralelismo de datos (SIMD)
– Paralelismo de tareas (vergonzosamente paralelo)
• Concurrencia: Múltiples cálculos que pueden ser

realizados simultáneamente.
• Concurrencia vs. Paralelismo



Concurrencia y Paralelismo

do_another_thing()

do_one_thing()

do_wrap_up()

do_one_thing()

do_another_thing()

do_wrap_up()

do_one_thing()

do_wrap_up()

do_another_thing()

Tiempo



4

Procesos vs. Hilos

• Proceso (Process): Instancia de un programa que se
está ejecutando en su propio espacio de direcciones. En
sistemas POSIX, cada proceso mantiene su propio
heap, pila, registro, descriptores de ficheros, etc.
Comunicación:

• Memoria compartida
• Red
• Pipes, Colas

• Hilo (Thread): Una versión ligera del proceso que
comparte dirección con otros hilos. En sistemas POSIX,
cada hilo mantiene sus propios: registros, pila, señales.
Comunicación:

• Espacio de direcciones compartido



Concurrencia usando hilos

• Ejecución serializada:

– Hasta ahora… nuestros programas constan de un solo hilo.
– Un programa termina su ejecución cuando su hilo termina su

ejecución.

• Multi-hilos:

de ejecución

– Un programa es organizado como múltiples y concurrentes hilos

– El programa principal puede crear (spawns) muchos hilos
– El hilo puede comunicarse con otro(s) hilo(s).
– Ventajas potenciales:

• Mejora de rendimiento
• Mejores tiempos de respuesta
• Mejora en la utilización de recursos
• Menor cantidad de trabajo extra comparada con el uso de múltiples

procesos.



Programación Multihilos

Incluso en C, la programación multihilos puede ser
realizada de diversas formas:
– Pthreads: biblioteca POSIX C,
– OpenMP,
– Intel threading building blocks,
– Cilk (de CSAIL!),
– Grand central dispatch,
– CUDA (GPU) y
– OpenCL (GPU/CPU)







No todo el código es paralelizable

float params[10];

for (int i=0; i<10; i++)
do_something ( params[i] );

float params[10];
float prev = 0;

for (int i=0; i<10; i++)
prev = complicated ( params[i], prev);

Paralelizable

No paralelizable



No todo el código multi-hilos es seguro

int balance =500;
void deposit ( int sum ) {

int currbalance=balance ; /
...
currbalance+=sum ;
balance=currbalance ; /

∗

}
void withdraw ( int sum ) {

int currbalance=balance ; /
if ( currbalance >0)
currbalance−=sum ;
∗
balance=currbalance ; /

}
∗
... deposit (100); /
thread 1 /
... withdraw (50); /* thread 2 /∗
∗
thread 3 /
. .. withdraw(100); /

∗

∗

...

∗

read balance

∗
/

write balance

∗
/

∗

read balance

∗
/

write balance

∗
/

Escenario: T1(read),T2(read,write),T1(write) ,balance=600
Escenario: T2(read),T1(read,write),T2(write) ,balance=450



API del pthread

API:
• Gestión de Hilos: crear, unir, atributos

pthread__ 

• Exclusión mutua: crear, destruir exclusión mutua

pthread_mutex_ 

• Variables condición: crear, destruir, esperar y continuar

pthread_cond_

• Sincronización: lectura/escritura candados y barreras

pthread_rwlock_, pthread_barrier_ 

API:
#include <pthread.h> 
gcc −Wall −O0 −o <output> file.c −pthread (no −l prefix) 



Creación de hilos

int pthread_create( pthread_t *thread, 

   const pthread _attr _t  *attr, 

                void  (  start _routine )( 

              void *arg );

∗ ∗

void  ), ∗

• Crea un nuevo hilo que tiene los atributos especificados por attr.
• Utiliza las opciones de defecto de atributos cuando attr es NULL.
• Si no se producen errores en la creación, se almacena el hilo en thread
• Se invoca la función start_routine(arg) en un hilo de ejecución

diferente.

• Regresa cero si triunfa la creación, diferente de cero si se produce un error.

void pthread_exit(void  value_ptr); 
• Se invoca implícitamente cuando termina la función thread.
• Análogo con exit()

∗



Ejemplo

#include <pthread . h>
#include <stdio.h>
#define NUM_THREADS 5

∗

void

∗

∗

threadid )

void PrintHello (
{
long tid ;
tid = ( long ) threadid ;
printf( " Hello World ! It's me, thread #%ld ! \ n " , tid ) ;
pthread _exit(NULL ) ;
}
int main ( int argc , char argv [ ] )
{
pthread_t threads [NUM_THREADS] ;
int r c ;
long t ;
for ( t =0; t <NUM_THREADS; t ++) {
printf ( " In main : c reat ing thread %l d \ n " , t ) ;
rc = pthread_create (& threads [ t ] , NULL, PrintHello( void
if ( rc ) {
printf("ERROR; return code from pthread_create ( ) i s %d \ n ", rc ) ;
exit( −1);
}
}
pthread_exit(NULL ) ;
}

) t ) ;

∗



Traza de salida



Sincronización: unión (joining)

•

"Joining" es una manera de lograr la sincronización entre hilos. Ejemplo:

int pthread_join(pthread_t thread, void
•

∗∗

value_ptr);

pthread_join() Bloquea el thread que hace la llamada hasta que el thread especificado como
atributo termina su ejecución.
Si value_ptr es distinto de null, contiene el estatus de finalización del thread invocado.

•

Otras formas de sincronización: exclusión mutua (mutex), variables de condición



Exclusión mutua

• Mutex (exclusión mutua) actúa como un “candado" para proteger el

• Solo un hilo a la vez “posee” el candado. Los hilos deben turnarse

acceso a un dato.

para acceder al dato.

int pthread_mutex_destroy ( pthread_mutex_t mutex ) ;
int pthread_mutex_init ( pthread_mutex_t *mutex ,
const pthread_mutexattr_t attr );
thread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

∗

– pthread_mutex_init() inicializa un “mutex”. Si los atributos valen

NULL, entonces se usan los valores de defecto de la librería.

– La macro PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER puede usarse para

inicializar “mutexes” estáticos.

– pthread_mutex_destroy() destruye el “mutex”.
– Ambas funcionan regresan 0 si no hay error, y un valor distinto de cero

si se produce algún error.



Exclusión mutua

int pthread_mutex_lock ( pthread_mutex_t mutex ) ;
int pthread_mutex_trylock ( pthread_mutex_t mutex ) ;
int pthread_mutex_unlock ( pthread_mutex_t mutex ) ;

∗
∗
∗

• pthread_mutex_lock() bloquea (cierra) la variable mutex.
Si la variable mutex está bloqueada (cerrada), la función que
hizo la llamada se bloquea hasta que la variable mutex esté
disponible (no-bloqueada).

• pthread_mutex_trylock() es la versión no-bloqueante.

Si la variable mutex está bloqueada (cerrada), la llamada
regresa inmediatamente.

• pthread_mutex_unlock() desbloquea (abre) la variable

mutex.



Ejemplo revisado

∗

read balance

∗
/

int balance =500;
void deposit ( int sum ) {

int currbalance=balance ; /
...
currbalance+=sum ;
balance=currbalance ; /

∗

}
void withdraw ( int sum ) {

int currbalance=balance ; /
if ( currbalance >0)
currbalance−=sum ;
∗
balance=currbalance ; /
}
∗
... deposit (100); /
thread 1 /
... withdraw (50); /* thread 2 / ∗
∗
... withdraw(100); /
thread 3 /

∗
∗

...

write balance

∗
/

∗

read balance

∗
/

write balance

∗
/

Escenario: T1(read),T2(read,write),T1(write) ,balance=600
Escenario: T2(read),T1(read,write),T2(write) ,balance=450



int balance =500;
pthread_mutex_t mutexbalance=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void deposit ( int sum ) {
pthread_mutex_lock(&mutexbalance );
{

∗

read balance

int currbalance=balance ; /
...
currbalance+=sum ;
balance=currbalance ; /
}
pthread_mutex_unlock(&mutexbalance );

write balance

∗
/

∗

∗
/

}
void withdraw ( int sum ) {
pthread_mutex_lock(&mutexbalance );
{

Usando

Exclusión Mutua

∗

read balance

int currbalance=balance ; /
if ( currbalance >0)
currbalance−=sum ;
balance=currbalance ; /
}
pthread_mutex_unlock(&mutexbalance );

write balance

∗

∗
/

∗
/

}
∗
∗
thread 1 /
... deposit (100); /
... withdraw (50); /* thread 2 / ∗
∗
∗
... withdraw(100); /
thread 3 /
...

Escenario: T1(read),T2(read,write),T1(write) ,balance=550
Escenario: T2(read),T1(read,write),T2(write) ,balance=550



Ejemplo: Versión secuencial del

producto de dos vectores

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
double *a;
double *b;
double sum;
int veclen; } DOTDATA;

#define VECLEN 100000
DOTDATA dotstr;



void dotprod() {
int start, end, i;
double mysum, *x, *y;
start=0;
end = dotstr.veclen;
x = dotstr.a;
y = dotstr.b;
mysum = 0;
for (i=start; i<end ; i++) {
mysum += (x[i] * y[i]);
}
dotstr.sum = mysum;
}

int main (int argc, char *argv[]) {
int i,len;
double *a, *b;

len = VECLEN;
a = (double*) malloc (len*sizeof(double));
b = (double*) malloc (len*sizeof(double));

for (i=0; i<len; i++) {
a[i]=1; b[i]=a[i]; }
dotstr.veclen = len;
dotstr.a = a;
dotstr.b = b;
dotstr.sum=0;
dotprod ();
printf ("Sum = %f \n", dotstr.sum);
free (a);
free (b);
}



Ejemplo: Versión concurrente del

producto de dos vectores

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct
{
double *a;
double *b;
double sum;
int veclen;
} DOTDATA;

#define NUMTHRDS 4
#define VECLEN 100000
DOTDATA dotstr;
pthread_t callThd[NUMTHRDS];
pthread_mutex_t mutexsum;

void *dotprod(void *arg)
{

int i, start, end, len ;
long offset;
double mysum, *x, *y;
offset = (long)arg;

len = dotstr.veclen;
start = offset*len;
end = start + len;
x = dotstr.a;
y = d