Προγραμματισμός Ταυτόχρονος Προγραμματισμός

Transcript

1 Εισαγωγικά & Βασικές Έννοιες ΙΙΙ 1 lalis@inf.uth.gr

2 Γιατί πολλές διεργασίες/νήματα; Επίπεδο εφαρμογής Καλύτερη δόμηση κώδικα Αποφυγή μπλοκαρίσματος / περιοδικών ελέγχων Φυσική έκφραση παραλληλισμού Επίπεδο λειτουργικού συστήματος Πολυπρογραμματισμός (πολλοί χρήστες) Ταυτόχρονη εκτέλεση σε 1 CPU/core Παράλληλη εκτέλεση σε πολλές CPUs/cores ΙΙΙ 2 lalis@inf.uth.gr

3 Παράδειγμα: καλύτερη δόμηση input read chars lines remove spaces and \n words assign words to next line lines add spaces between words output ΙΙΙ 3 lalis@inf.uth.gr

4 Παράδειγμα: αποφυγή μπλοκαρίσματος job worker job control commands master job worker job worker ΙΙΙ 4 lalis@inf.uth.gr

5 Παράδειγμα: έκφραση παραλληλισμού input data (unsorted) split data (unsorted) sort sort data (sorted) wait merge data (sorted) output ΙΙΙ 5 lalis@inf.uth.gr

6 Ταυτόχρονος Προγραμματισμός Παράλληλος Προγραμματισμός Στόχος: Ο συγχρονισμός και συντονισμός ανάμεσα σε συνεργαζόμενα νήματα ή διεργασίες ενός προγράμματος ή ενός ολόκληρου συστήματος Στόχος: Η επιτάχυνση ενός υπολογισμού με παράλληλη εκτέλεση πάνω από πολλούς Η/Υ, επεξεργαστές/πυρήνες και ειδικούς επιταχυντές Πρόβλημα: Ορθότητα και απάλειψη ενεργής αναμονής Πρόβλημα: Κατάλληλη υποδιαίρεση του κώδικα σε τμήματα, και μεταφορά δεδομένων μεταξύ τους ΙΙΙ 6 lalis@inf.uth.gr

7 Αφαιρετική προσέγγιση Η έννοια του νήματος/διεργασίας και τα βασικά προβλήματα του ταυτόχρονου προγραμματισμού έχουν γενικότερη ισχύ για διαφορετικούς τύπους συστημάτων υπολογιστών Μεμονωμένα συστήματα με έναν ή περισσότερες CPUs/cores Κατανεμημένα συστήματα με ξεχωριστούς κόμβους που επικοινωνούν πάνω από ένα κατάλληλο δίκτυο Υιοθετούμε ένα αφαιρετικό/γενικό μοντέλο νήματος/διεργασίας και εκτέλεσης κώδικα ΙΙΙ 7 lalis@inf.uth.gr

8 multiprocessor shared memory CPU CPU CPU CPU local memory local memory local memory local memory distributed system local memory CPU CPU local memory local memory CPU CPU local memory ΙΙΙ 8 lalis@inf.uth.gr

9 Νήματα/Διεργασίες ΙΙΙ 9 lalis@inf.uth.gr

10 Μονονηματική / πολυνηματική εκτέλεση Μονονηματικό μοντέλο εκτέλεσης (συμβατικό) Οι εντολές του κώδικα εκτελούνται σειριακά Ένα μοναδικό νήμα εκτέλεσης (execution thread) Πολυνηματικό μοντέλο εκτέλεσης Μπορεί να συνυπάρχουν πολλά νήματα / διεργασίες Που εκτελούν κώδικα ταυτόχρονα μεταξύ τους Κάθε νήμα / διεργασία έχει τη δική του (ιδιωτική) κατάσταση εκτέλεσης και εκτελείται ανεξάρτητα από τα άλλα νήματα / διεργασίες ΙΙΙ 10 lalis@inf.uth.gr

11 μονονηματική εκτέλεση πολυνηματική εκτέλεση PC main νήμα P1 P2 P3 (ροή εκτέλεσης) PC PC PC πρόγραμμα εντολή πρόγραμμα αλληλεπίδραση ΙΙΙ 11

12 Νήματα/διεργασίες με κοινή μνήμη νήμα #1 νήμα #2 νήμα #Ν μνήμη στοίβα στοίβα στοίβα μετρητής εντολών μετρητής εντολών και καταχωρητές ΚΜΕ και καταχωρητές ΚΜΕ μετρητής εντολών και καταχωρητές ΚΜΕ ΙΙΙ 12

13 Νήματα/διεργασίες χωρίς κοινή μνήμη νήμα #1 νήμα #2 νήμα #Ν μνήμη μνήμη μνήμη στοίβα στοίβα στοίβα μετρητής εντολών μετρητής εντολών και καταχωρητές ΚΜΕ και καταχωρητές ΚΜΕ μετρητής εντολών και καταχωρητές ΚΜΕ ΙΙΙ 13

14 Διεργασία Θα χρησιμοποιούμε τους όρους «διεργασία» και «νήμα» εναλλάξ, ως ταυτόσημες έννοιες Σε πιο τεχνικό επίπεδο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές ανάμεσα σε νήματα και διεργασίες η διεργασία αντιπροσωπεύει ένα πλήρες/ανεξάρτητο πλαίσιο εκτέλεσης ενός προγράμματος οι διεργασίες δεν έχουν (αυτομάτως) κοινή μνήμη κάθε διεργασία μπορεί να περιέχει πολλά νήματα τα νήματα μιας διεργασίας έχουν (συνήθως) κοινή μνήμη ΙΙΙ 14

15 Συνηθισμένη τεχνική ορολογία Όρος heavyweight processes lightweight processes system-level threads user-level threads co-routines Λειτουργικότητα Level: system Scope: independent/separate program Memory: private Scheduling: preemptive/automatic Level: system Scope: same program Memory: shared Scheduling: preemptive/automatic Level: user Scope: same program Memory: shared Scheduling: preemptive/automatic Level: user Scope: same program Memory: shared Scheduling: explicit/manual ΙΙΙ 15

16 Kernel & user-level threads Kernel threads (σε επίπεδο συστήματος) Κλήσεις συστήματος Δυνατότητα παράλληλης εκτέλεσης αν το σύστημα διαθέτει πολλούς επεξεργαστές Αν ένα νήμα μπλοκάρει σε κλήση συστήματος, τα υπόλοιπα συνεχίζουν την εκτέλεση τους User-level threads (σε επίπεδο εφαρμογής) Γρήγορες λειτουργίες Όλα τα νήματα εκτελούνται στον ίδιο επεξεργαστή Αν ένα νήμα μπλοκάρει σε κλήση συστήματος, μπλοκάρει ολόκληρη η διεργασία ΙΙΙ 16

17 user-level A thread B C user OS kernel thread ΙΙΙ 17 lalis@inf.uth.gr

18 Νήματα σε διάφορα επίπεδα λογισμικού Νήματα μπορεί να χρησιμοποιούνται σε πολλά διαφορετικά επίπεδα του λογισμικού ενός Η/Υ Για την ταυτόχρονη εκτέλεση ξεχωριστών εφαρμογών πάνω από το λειτουργικό σύστημα Για την ταυτόχρονη εκτέλεση τμημάτων μιας μοναδικής εφαρμογής Για την ταυτόχρονη εκτέλεση λειτουργιών του ίδιου του λειτουργικού συστήματος ΙΙΙ 18

19 user program command line program system-call interface file subsystem process management subsystem I/O control device drivers memory management subsystem hardware control/interrupt interface OS Hardware ΙΙΙ 19

20 Προγραμματισμός με νήματα Κάποιες γλώσσες προγραμματισμού υποστηρίζουν την ταυτόχρονη εκτέλεση εγγενώς, μέσα από κατάλληλους τύπους, δομές και λειτουργίες Σε άλλες γλώσσες προγραμματισμού η δυνατότητα ταυτόχρονης εκτέλεσης δίνεται μέσα από ξεχωριστές βιβλιοθήκες που δεν αποτελούν μέρος της γλώσσας Και στις δύο περιπτώσεις, συνήθως υποστηρίζονται νήματα με κοινή μνήμη Τα νήματα δημιουργούνται/καταστρέφονται δυναμικά (ευέλικτος πόρος, όπως π.χ. η δυναμική μνήμη) Ανάλογα με την υλοποίηση, τα νήματα μπορεί να υλοποιούνται σε επίπεδο εφαρμογής ή συστήματος ΙΙΙ 20

21 single-threaded program process multi-threaded program code code memory memory CPU state CPU state CPU state CPU state stack stack stack stack main thread main thread ΙΙΙ 21

22 Εκτέλεση νημάτων/διεργασιών ΙΙΙ 22

23 Ταυτόχρονη εκτέλεση Πολυπλεξία πάνω σε μια CPU Παράλληλη εκτέλεση σε διαφορετικές CPU P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 CPU CPU CPU CPU CPU CPU παραλληλισμός πολυπλεξία ΙΙΙ 23

24 Πολυπλεξία σε μια CPU Κάθε νήμα εκτελείται πάνω στην CPU για ένα περιορισμένο χρονικό διάστημα Όταν εκπνεύσει ο χρόνος, η εκτέλεση του νήματος σταματά και η κατάσταση του αποθηκεύεται Επιλέγεται για εκτέλεση το επόμενο νήμα Επαναφέρεται η κατάσταση του επιλεγμένου νήματος, και η εκτέλεση του συνεχίζεται από εκεί που είχε σταματήσει Η αλλαγή ανάμεσα στα δύο νήματα ονομάζεται εναλλαγή (thread switch) ΙΙΙ 24

25 χρόνος συνεχόμενη εκτέλεση διάστημα κατά το οποίο το νήμα δεν έχει την CPU καθυστέρηση λόγω διακοπών διακοπτόμενη εκτέλεση ΙΙΙ 25

26 χρόνος (α) P1 P (β) P P (γ) P1 P ΙΙΙ 26 lalis@inf.uth.gr

27 Λειτουργία εναλλαγής σε μια CPU Πληροφορία κατάστασης νήματος Στατική & δυναμική μνήμη Καταχωρητές της CPU Στοίβα Βήματα εναλλαγής Διακοπή εκτέλεσης Σώσιμο κατάστασης τρέχοντος νήματος Επιλογή του επόμενου νήματος προς εκτέλεση Επαναφορά κατάστασης του επιλεγμένου νήματος Συνέχεια εκτέλεσης ΙΙΙ 27

28 stack task descriptor stack memory CPU PC registers memory PC cpu registers code code ΙΙΙ 28

29 OS (kernel mode) Hardware Program (user mode) interrupt save regs(p1) -> k-stack(p1) move to kernel mode jump to trap handler P1 Trap handler Call switch() routine save regs(p1) -> task_desk(p1) restore regs(p2) <- task_desk(p2) Switch to k-stack(p2) Return from trap (into P2) Restore regs(p2) <- k-stack(p2) move to user mode Jump to P2 PC P2 ΙΙΙ 29 Source: Operating Systems: Three Easy Pieces

30 P1 εκτελείται current task P1 memory memory P2 PC stack stack PC regs regs code CPU code PC regs ΙΙΙ 30

31 σώσιμο κατάστασης P1 current task P1 memory memory P2 PC stack stack PC regs regs code CPU code PC regs ΙΙΙ 31

32 επιλογή P2 current task P1 memory memory P2 PC stack stack PC regs regs code CPU code PC regs ΙΙΙ 32

33 επαναφορά κατάστασης P2 current task P1 memory memory P2 PC stack stack PC regs regs code CPU code PC regs ΙΙΙ 33

34 P2 εκτελείται current task P1 memory memory P2 PC stack stack PC regs regs code CPU code PC regs ΙΙΙ 34

35 Κόστος εναλλαγής O χρόνος που ξοδεύεται για την εναλλαγή αποτελεί γραφειοκρατικό κόστος (overhead) κατά την διάρκεια της εναλλαγής δεν εκτελείται κώδικας εφαρμογών ή υπηρεσιών του συστήματος Ο χρόνος της εναλλαγής εξαρτάται κυρίως από την πολυπλοκότητα υλοποίησης του συστήματος την υποστήριξη που παρέχει το υλικό (ειδικές εντολές) Όσο περισσότερες εναλλαγές γίνονται ανά μονάδα χρόνου τόσο λιγότερος χρόνος αφιερώνεται στην εκτέλεση των διεργασιών του συστήματος χειρότερη περίπτωση: γίνονται μόνο εναλλαγές ΙΙΙ 35 lalis@inf.uth.gr

36 χρόνος (α) P1 P (β) P P (γ) P P ΙΙΙ 36 lalis@inf.uth.gr

37 Αναμονή Συχνά ένα νήμα απλά περιμένει να παρέλθει ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, να φτάσουν δεδομένα, να λάβει άδεια χρήσης ενός πόρου, Ενεργητική αναμονή Περιοδικός έλεγχος της συνθήκης, με ρητό τρόπο Μη βέλτιστη/αποδοτική χρήση της CPU Ανενεργή αναμονή Εκτός από τις λειτουργίες δημιουργίας/τερματισμού διεργασιών, το σύστημα προσφέρει και λειτουργίες αναμονής/αφύπνισης Όσο ένα νήμα βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, δεν λαμβάνει τον επεξεργαστή ΙΙΙ 37

38 πότε θα έρθει ο επόμενος χαρακτήρας πότε θα έρθουν τα από το πληκτρολόγιο; δεδομένα από το P1; P1 P2 πότε θα έρθουν τα δεδομένα από το P2 ή θα χτυπήσει το ξυπνητήρι μου; P3 ΙΙΙ 38

39 Ενδεικτικές λειτουργίες Λειτουργία task_create(task *t, ) task_start(task *t) task_stop(task *t) task_yield() Περιγραφή Δημιουργία νήματος Έναρξη εκτέλεσης νήματος Τερματισμός νήματος Παραχώρηση επεξεργαστή task_wait() task_wakeup(task *t) Αναμονή νήματος Αφύπνιση νήματος task_wait(queue *q) task_wakeup(queue *q) task_wakeupall(queue *q) Αναμονή νήματος σε ουρά Αφύπνιση ενός (του πρώτου) νήματος που αναμένει στην ουρά Αφύπνιση όλων των νημάτων που αναμένουν στην ουρά ΙΙΙ 39 lalis@inf.uth.gr

40 αναμονή running εναλλαγή (απώλεια επεξεργαστή) εναλλαγή (λήψη επεξεργαστή) waiting αφύπνιση ready δημιουργία ΙΙΙ 40

41 Χρονοπρογραμματισμός Πότε «χάνει» ένα νήμα τον επεξεργαστή; Αυτόματα (περιοδικά), με βάση ένα χρονόμετρο Όταν καλέσει έμμεσα ή άμεσα την wait/yield Ποιο νήμα θα «πάρει» τον επεξεργαστή; Προτεραιότητες, απαιτήσεις πραγματικού χρόνου Ο πιο απλός αλγόριθμος: round-robin ΙΙΙ 41

42 tasks P0 ready P1 running P2 ready waiting P1 εκτελείται ΙΙΙ 42

43 tasks P0 ready P1 ready P2 running waiting P2 εκτελείται ΙΙΙ 43

44 tasks P0 running P1 ready P2 ready waiting P2 εκτελείται ΙΙΙ 44

45 tasks P0 ready P1 running P2 ready waiting P1 εκτελείται ΙΙΙ 45

46 tasks P0 ready P1 waiting P2 running waiting P1 μπαίνει σε αναμονή P2 εκτελείται ΙΙΙ 46

47 tasks P0 running P1 waiting P2 waiting waiting P2 μπαίνει σε αναμονή P0 εκτελείται ΙΙΙ 47

48 tasks P0 waiting P1 waiting P2 waiting waiting P0 μπαίνει σε αναμονή ΙΙΙ 48

49 tasks P0 waiting P1 ready P2 waiting waiting P1 αφυπνίζεται ΙΙΙ 49

50 tasks P0 waiting P1 running P2 waiting waiting P1 εκτελείται ΙΙΙ 50

51 Χειρισμός διακοπών / γεγονότων Ο χειρισμός διακοπών (interrupts) είναι μια ειδική μορφή ταυτόχρονης εκτέλεσης Σε περίπτωση διακοπής, γίνεται αυτόματη εναλλαγή από την τρέχουσα εκτέλεση στην ρουτίνα χειρισμού της διακοπής μπορεί να συμβεί ανά πάσα στιγμή Παρομοίως για ασύγχρονα γεγονότα πιο ψηλού επιπέδου (asynchronous events) ο χειρισμός των οποίων γίνεται με ανάστροφες κλήσεις (up-calls) π.χ. signal handling in Unix Προκύπτουν προβλήματα αντίστοιχα/παρόμοια με αυτά της ταυτόχρονης εκτέλεσης νημάτων ΙΙΙ 51 lalis@inf.uth.gr

52 interrupt/event handler current execution thread interrupt/event generator ΙΙΙ 52

53 Εκτέλεση νημάτων σε πολλές CPU/cores Συνηθισμένες τεχνικές κατανομής Κεντρική ουρά όπου τοποθετούνται τα νήματα, κάθε CPU να εκτελεί το επόμενο έτοιμο νήμα Κάθε CPU έχει δική της ουρά νημάτων, ενώ μπορεί να γίνει μεταφορά νημάτων ανάμεσα στις ουρές (π.χ., αν μια CPU δεν έχει αρκετή δουλειά) Κλασικά προβλήματα Διαχείριση ουρών Καλή εκμετάλλευση CPUs Συντονισμένη εκτέλεση νημάτων ΙΙΙ 53

54 CPU scheduler P1 P2 P3 CPU scheduler P4 P5 P9 task/thread migration/stealing CPU scheduler P6 P7 P8 P9 ΙΙΙ 54