Giáo trình Hệ điều hành Giáo dục từ xa - Chương 4.1: Luồng - Nguyễn Phú Trường

Nội dung text: Giáo trình Hệ điều hành Giáo dục từ xa - Chương 4.1: Luồng - Nguyễn Phú Trường

1. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Hình 0-1 Quá trình đơn và đa luồng Trong những trường hợp cụ thể một ứng dụng đơn có thể được yêu cầu thực hiện nhiều tác vụ đơn. Thí dụ, một trình phục vụ web chấp nhận các yêu cầu khách hàng như trang web, hình ảnh, âm thanh, Một trình phục vụ web có thể có nhiều (hàng trăm) khách hàng truy xuất đồng thời nó. Nếu trình phục vụ web chạy như một quá trình đơn luồng truyền thống thì nó sẽ có thể chỉ phục vụ một khách hàng tại cùng thời điểm. Lượng thời gian mà khách hàng phải chờ yêu cầu của nó được phục vụ là rất lớn. Một giải pháp là có một trình phục vụ chạy như một quá trình đơn chấp nhận các yêu cầu. Khi trình phục vụ nhận một yêu cầu, nó sẽ tạo một quá trình riêng để phục vụ yêu cầu đó. Thật vậy, phương pháp tạo ra quá trình này là cách sử dụng thông thường trước khi luồng trở nên phổ biến. Tạo ra quá trình có ảnh hưởng rất lớn như được trình bày ở chương trước. Nếu quá trình mới sẽ thực hiện cùng tác vụ như quá trình đã có thì tại sao lại gánh chịu tất cả chi phí đó? Thường sẽ hiệu quả hơn cho một quá trình chứa nhiều luồng phục vụ cùng một mục đích. Tiếp cận này sẽ đa luồng quá trình trình phục vụ web. Trình phục vụ sẽ tạo một luồng riêng lắng nghe các yêu cầu người dùng; khi yêu cầu được thực hiện nó không tạo ra quá trình khác mà sẽ tạo một luồng khác phục vụ yêu cầu. Luồng cũng đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống lời gọi thủ tục xa (remote process call-RPC). Như đã trình bày ở chương trước, RPCs cho phép giao tiếp liên quá trình bằng cách cung cấp cơ chế giao tiếp tương tự như các lời gọi hàm hay thủ tục thông thường. Điển hình, các trình phục vụ RPCs là đa luồng. Khi một trình phục vụ nhận một thông điệp, nó phục vụ thông điệp dùng một luồng riêng. Điều này cho phép phục vụ nhiều yêu cầu đồng hành. IV.3.2 Thuận lợi Những thuận lợi của lập trình đa luồng có thể được chia làm bốn loại: • Sự đáp ứng: đa luồng một ứng dụng giao tiếp cho phép một chương trình tiếp tục chạy thậm chí nếu một phần của nó bị khóa hay đang thực hiện một thao tác dài, do đó gia tăng sự đáp ứng đối với người dùng. Thí dụ, một trình duyệt web vẫn có thể đáp ứng người dùng bằng một luồng trong khi một ảnh đang được nạp bằng một luồng khác. • Chia sẻ tài nguyên: Mặc định, các luồng chia sẻ bộ nhớ và các tài nguyên của các quá trình mà chúng thuộc về. Thuận lợi của việc chia sẽ mã là nó cho phép Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 81
2. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 IV.4.1 Mô hình nhiều-một Mô hình nhiều-một (như hình IV.2) ánh xạ nhiều luồng cấp người dùng tới một luồng cấp nhân. Quản lý luồng được thực hiện trong không gian người dùng vì thế nó hiệu quả nhưng toàn bộ quá trình sẽ bị khóa nếu một luồng thực hiện lời gọi hệ thống khóa. 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. Green threads-một thư viện luồng được cài đặt trên các hệ điều hành không hỗ trợ luồng nhân dùng mô hình nhiều-một. Hình 0-2-Mô hình nhiều-một IV.4.2 Mô hình một-một Mô hình một-một (hình IV.3) ánh xạ mỗi luồng người dùng tới một luồng nhân. Nó cung cấp khả năng đồng hành tốt hơn mô hình nhiều-một bằng cách cho một luồng khác chạy khi một luồng thực hiện lời gọi hệ thống nghẽn; nó cũng cho phép nhiều luồng chạy song song trên các bộ xử lý khác nhau. Chỉ có một trở ngại trong mô hình này là tạo luồng người dùng yêu cầu tạo một luồng nhân tương ứng. Vì chi phí cho việc tạo luồng nhân có thể đè nặng lên năng lực thực hiện của ứng dụng, các cài đặt cho mô hình này giới hạn số luồng được hỗ trợ bởi hệ thống. Windows NT, Windows 2000 và OS/2 cài đặt mô hình một-một này. Hình 0-3-Mô hình một-một Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 83
3. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 Việc sử dụng hai ấn bản fork phụ thuộc vào ứng dụng. Nếu exec bị hủy tức thì sau khi phân nhánh (forking) thì sự sao chép lại tất cả luồng là không cần thiết khi chương trình được xác định trong các tham số exec sẽ thay thế quá trình. Trong trường hợp này, việc sao chép lại chỉ gọi luồng hợp lý. Tuy nhiên, nếu quá trình riêng biệt này không gọi exec sau khi phân nhánh thì quá trình riêng biệt này nên sao chép lại tất cả luồng. IV.5.2 Sự hủy bỏ luồng Hủy một luồng là một tác vụ kết thúc một luồng trước khi nó hoàn thành.Thí dụ, nếu nhiều luồng đang tìm kiếm đồng thời thông qua một cơ sở dữ liệu và một luồng trả về kết quả, các luồng còn lại có thể bị hủy. Một trường hợp khác có thể xảy ra khi người dùng nhấn một nút trên trình duyệt web để dừng trang web đang được tải. Thường một trang web được tải trong một luồng riêng. Khi người dùng nhấn nút stop, luồng đang nạp trang bị hủy bỏ. Một luồng bị hủy thường được xem như luồng đích. Sự hủy bỏ một luồng đích có thể xảy ra hai viễn cảnh khác nhau: • Hủy bất đồng bộ: một luồng lập tức kết thúc luồng đích • Hủy trì hoãn: luồng đích có thể kiểm tra định kỳ nếu nó sắp kết thúc, cho phép luồng đích một cơ hội tự kết thúc trong một cách có thứ tự. Sự khó khăn của việc hủy này xảy ra trong những trường hợp khi tài nguyên được cấp phát tới một luồng bị hủy hay một luồng bị hủy trong khi việc cập nhật dữ liệu xảy ra giữa chừng, nó đang chia sẻ với các luồng khác. Điều này trở nên đặc biệt khó khăn với sự hủy bất đồng bộ. Hệ điều hành thường đòi lại tài nguyên hệ thống từ luồng bị hủy nhưng thường nó sẽ không đòi lại tất cả tài nguyên. Do đó, việc hủy một luồng bất đồng bộ có thể không giải phóng hết tài nguyên hệ thống cần thiết. Một chọn lựa khác, sự hủy trì hoãn thực hiện bằng một luồng báo hiệu rằng một luồng đích bị hủy. Tuy nhiên, sự hủy sẽ xảy ra chỉ khi luồng đích kiểm tra để xác định nếu nó được hủy hay không. Điều này cho phép một luồng kiểm tra nếu nó sẽ bị hủy tại điểm nó có thể an toàn bị hủy. Pthreads gọi những điểm như thế là các điểm hủy (cancellation points). Hầu hết hệ điều hành cho phép một quá trình hay một luồng bị hủy bất đồng bộ. Tuy nhiên, Pthread API cung cấp sự hủy trì hoãn. Điều này có nghĩa rằng một hệ điều hành cài đặt Pthread API sẽ cho phép sự hủy có trì hoãn. IV.5.3 Tín hiệu quản lý Một tín hiệu (signal) được dùng trong hệ điều hành UNIX thông báo một sự kiện xác định xảy ra. Một tín hiệu có thể được nhận hoặc đồng bộ hoặc bất đồng bộ phụ thuộc mã và lý do cho sự kiện đang được báo hiệu. Một tín hiệu hoặc đồng bộ hoặc bất đồng bộ đều theo sau cùng mẫu: • Tín hiệu được phát sinh bởi sự xảy ra của một sự kiện xác định. • Tín hiệu được phát sinh được phân phát tới một quá trình. • Khi được phân phát xong, tín hiệu phải được quản lý. Một thí dụ của tín hiệu đồng bộ gồm một truy xuất bộ nhớ không hợp lệ hay chia cho 0. Trong trường hợp này, nếu một chương trình đang chạy thực hiện một trong các hoạt động này, một tín hiệu được phát sinh. Các tín hiệu đồng bộ được phân phát tới cùng một quá trình thực hiện thao tác gây ra tín hiệu (do đó lý do chúng được xem đồng bộ). Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 85
4. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 IV.5.4 Nhóm luồng Trong phần VI.3, chúng ta mô tả kịch bản đa luồng của một trình phục vụ web. Trong trường hợp này, bất cứ khi nào trình phục vụ nhận một yêu cầu, nó tạo một luồng riêng để phục vụ yêu cầu đó. Ngược lại, tạo một luồng riêng thật sự cao hơn tạo một quá trình riêng, dù sao một trình phục vụ đa luồng có thể phát sinh vấn đề. Quan tâm đầu tiên là lượng thời gian được yêu cầu để tạo luồng trước khi phục vụ yêu cầu, và lượng thời gian xoá luồng khi nó hoàn thành. Vấn đề thứ hai là vấn đề khó giải quyết hơn: nếu chúng ta cho phép tất cả yêu cầu đồng hành được phục vụ trong một luồng mới, chúng ta không thay thế giới hạn trên số lượng luồng hoạt động đồng hành trong hệ thống. Những luồng không giới hạn có thể làm cạn kiệt tài nguyên hệ thống, như thời gian CPU và bộ nhớ. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng nhóm luồng. Ý tưởng chung nằm sau nhóm luồng là tạo số lượng luồng tại thời điểm khởi động và đặt chúng vào nhóm, nơi chúng ngồi và chờ công việc. Khi một trình phục vụ nhận một yêu cầu, chúng đánh thức một luồng từ nhóm- nếu một luồng sẳn dùng – truyền nó yêu cầu dịch vụ. Một khi luồng hoàn thành dịch vụ của nó, nó trả về nhóm đang chờ công việc kế. Nếu nhóm không chứa luồng sẳn dùng, trình phục vụ chờ cho tới khi nó rảnh. Nói cụ thể, các lợi ích của nhóm luồng là: 1) Thường phục vụ yêu cầu nhanh hơn với luồng đã có hơn là chờ để tạo luồng. 2) Một nhóm luồng bị giới hạn số lượng luồng tồn tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này đặc biệt quan trọng trên những hệ thống không hỗ trợ số lượng lớn các luồng đồng hành. Số lượng luồng trong nhóm có thể được đặt theo kinh nghiệm (heuristics) dựa trên các yếu tố như số CPU trong hệ thống, lượng bộ nhớ vật lý và số yêu cầu khách hàng đồng hành. Kiến trúc nhóm luồng tinh vi hơn có thể tự điều chỉnh số lượng luồng trong nhóm dựa theo các mẫu sử dụng. Những kiến trúc như thế cung cấp lợi điểm xa hơn của các nhóm luồng nhỏ hơn-do đó tiêu tốn ít bộ nhớ hơn-khi việc nạp trên hệ thống là chậm. IV.5.5 Dữ liệu đặc tả luồng Các luồng thuộc một quá trình chia sẻ dữ liệu của quá trình. Thật vậy, chia sẻ dữ liệu này cung cấp một trong những lợi điểm của lập trình đa luồng. Tuy nhiên, mỗi luồng có thể cần bản sao dữ liệu xác định của chính nó trong một vài trường hợp. Chúng ta sẽ gọi dữ liệu như thế là dữ liệu đặc tả luồng. Thí dụ, trong một hệ thống xử lý giao dịch, chúng ta có thể phục vụ mỗi giao dịch trong một luồng. Ngoài ra, mỗi giao dịch có thể được gán một danh biểu duy nhất. Để gán mỗi luồng với định danh duy nhất của nó chúng ta có thể dùng dữ liệu đặc tả dữ liệu. Hầu hết thư viện luồng gồm Win32 và Pthread – cung cấp một số biểu mẫu hỗ trợ cho dữ liệu đặc tả luồng. Java cũng cung cấp sự hỗ trợ như thế. IV.6 Pthreads Pthreads tham chiếu tới chuẩn POSIX (IEEE 1003.1c) định nghĩa API cho việc tạo và đồng bộ luồng. Đây là một đặc tả cho hành vi luồng không là một cài đặt. Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 87
5. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 /*bây giờ chờ luồng kết thúc*/ pthread_join(tid,NULL); printf(“sum = %d\n”,sum); /*Luồng sẽ bắt đầu điều khiển trong hàm này*/ void *runner(void *param) { int upper = atoi(param); int i; sum = 0; if (upper > 0){ sum+= i; } pthread_exit(0); } } Hình 0-5-Chương trình C đa luồng dùng Pthread API IV.7 Luồng Solaris 2 Solaris 2 là một ấn bản của UNIX với hỗ trợ luồng tại cấp độ nhân và cấp độ người dùng, đa xử lý đối xứng (SMP) và định thời thời thực. Solaris 2 cài đặt Pthread API hỗ trợ luồng cấp người dùng với thư viện chứa APIs cho việc tạo và quản lý luồng (được gọi luồng UI). Sự khác nhau giữa hai thư viện này rất lớn, mặc dù hầu hết người phát triển hiện nay chọn thư viện Pthread. Solaris 2 cũng định nghĩa một cấp độ luồng trung gian. Giữa luồng cấp nhân và cấp người dùng là các quá trình nhẹ (lightweight process- LWPs). Mỗi quá trình chứa ít nhất một LWP. Thư viện luồng đa hợp luồng người dùng trên nhóm LWP cho quá trình và chỉ luồng cấp người dùng hiện được nối kết tới một LWP hoàn thành công việc. Các luồng còn lại bị khoá hoặc chờ cho một LWP mà chúng có thể thực thi trên nó. Luồng cấp nhân chuẩn thực thi tất cả thao tác trong nhân. Mỗi LWP có một luồng cấp nhân, và một số luồng cấp nhân (kernel) chạy trên một phần của nhân và không có LWP kèm theo (thí dụ, một luồng phục vụ yêu cầu đĩa ). Các luồng cấp nhân chỉ là những đối tượng được định thời trong hệ thống. Solaris 2 cài mô hình nhiều-nhiều; toàn bộ hệ thống luồng của nó được mô tả trong hình dưới đây: Hình 0-6-Luồng Solaris 2 Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 89
6. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 chứa một định danh quá trình (Process ID-PID); bản đồ bộ nhớ; danh sách các tập tin đang mở, độ ưu tiên; và con trỏ của các luồng nhân vơi quá trình (Hình ). Hình 0-7-Quá trình Solaris 2 IV.8 Luồng Windows 2000 Windows 2000 cài đặt Win32 API. Win32 API là một API chủ yếu cho họ hệ điều hành Windows (Windows 95/98/NT và Windows 2000). Thực vậy, những gì được đề cập trong phần phần này áp dụng tới họ hệ điều hành này Ứng dụng Windows chạy như một quá trình riêng rẻ nơi mỗi quá trình có thể chứa một hay nhiều luồng. Windows 2000 dùng ánh xạ một-một nơi mà mỗi luồng cấp người dùng ánh xạ tới luồng nhân được liên kết tới.Tuy nhiên, Windows cũng cung cấp sự hỗ trợ cho một thư viện có cấu trúc (fiber library) cung cấp chức năng của mô hình nhiều-nhiều. Mỗi luồng thuộc về một quá trình có thể truy xuất một không gian địa chỉ ảo của quá trình. Những thành phần thông thường của một luồng gồm: • ID của luồng định danh duy nhất luồng • Tập thanh ghi biểu diễn trạng thái của bộ xử lý • Ngăn xếp người dùng khi luồng đang chạy ở chế độ người dùng. Tương tự, mỗi luồng cũng có một ngăn xếp nhân được dùng khi luồng đang chạy trong chế độ nhân • Một vùng lưu trữ riêng được dùng bởi nhiều thư viện thời gian thực và thự viện liên kết động (DLLs). Tập thanh ghi, ngăn xếp và vùng lưu trữ riêng được xem như ngữ cảnh của luồng và được đặc tả kiến trúc tới phần cứng mà hệ điều hành chạy trên đó. Cấu trúc dữ liệu chủ yếu của luồng gồm: • RTHREAD (executive thread block-khối luồng thực thi). • KTHREAD (kernel thread-khối luồng nhân) • TEB (thread environment block-khối môi trường luồng) Các thành phần chủ yếu của RTHREAD gồm một con trỏ chỉ tới quá trình nào luồng thuộc về và địa chỉ của thủ tục mà luồng bắt đầu điều khiển trong đó. ETHREAD cũng chứa một con trỏ chỉ tới KTHREAD tương ứng. Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 91
7. Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 cấp nhân. Phần sau chúng ta sẽ thảo luận một luồng Java có thể được ánh xạ tới luồng nhân bên dưới như thế nào. Tất cả chương trình tạo ít nhất một luồng điều khiển đơn. Thậm chí một chương trình Java chứa chỉ một phương thức main chạy như một luồng đơn trong máy ảo Java. Ngoài ra, Java cung cấp các lệnh cho phép người phát triển tạo và thao tác các luồng điều khiển bổ sung trong chương trình. IV.10.1 Tạo luồng Một cách để tạo một luồng rõ ràng là tạo một lớp mới được phát sinh từ lớp Thread và viết đè phương thức run của lớp Thread. Tiếp cận này được hiển thị trong hình sau, ấn bản Java của chương trình đa luồng xác định tổng các số nguyên không âm. Một đối tượng của lớp phát sinh sẽ chạy như một luồng điều khiển đơn trong máy ảo Java. Tuy nhiên, tạo một đối tượng được phát sinh từ lớp Thread không tạo một luồng mới, trái lại phương thức start mới thật sự tạo luồng mới. Gọi phương thức start cho đối tượng mới thực hiện hai thứ: 1) Nó cấp phát bộ nhớ và khởi tạo một luồng mới trong máy ảo Java. 2) Nó gọi phương thức run, thực hiện luồng thích hợp để được chạy bởi máy ảo Java. (Chú ý, không thể gọi phương thức run trực tiếp, gọi phương thức start sẽ gọi phương thức run) Class Summation extends Thread { public Summation (int n){ upper = n; } public void run(){ int sum = 0; if (upper>0){ for(int i = 1; i 0){ if(Integer.parseInt(args[0]) = 0.”); else{ Summation thrd = new Summation (Integer.parseInt(args[0])); Thrd.start(); } Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 93