ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II (Θ)

Transcript

1 ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II (Θ) Ενότθτα 6: ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II Νικολαΐδθσ Ακανάςιοσ Διδάκτορασ Ανάπτυξθσ Σεχνικϊν Προςταςίασ Πλθροφορίασ Εικόνασ ΧΟΛΗ ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΣΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ

2 Άδεηεο Υξήζεο Σν παξόλ εθπαηδεπηηθό πιηθό ππόθεηηαη ζε άδεηεο ρξήζεο Creative Commons. Γηα εθπαηδεπηηθό πιηθό, όπωο εηθόλεο, πνπ ππόθεηηαη ζε άιινπ ηύπνπ άδεηαο ρξήζεο, ε άδεηα ρξήζεο αλαθέξεηαη ξεηώο. ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 2

3 Υξεκαηνδόηεζε Σν παξόλ εθπαηδεπηηθό πιηθό έρεη αλαπηπρζεί ζηα πιαίζηα ηνπ εθπαηδεπηηθνύ έξγνπ ηνπ δηδάζθνληα. Σν έξγν «Αλνηθηά Αθαδεκαϊθά Μαζήκαηα ζην ΣΔΙ Κεληξηθήο Μαθεδνλίαο» έρεη ρξεκαηνδνηήζεη κόλν ηε αλαδηακόξθωζε ηνπ εθπαηδεπηηθνύ πιηθνύ. Σν έξγν πινπνηείηαη ζην πιαίζην ηνπ Δπηρεηξεζηαθνύ Πξνγξάκκαηνο «Δθπαίδεπζε θαη Γηα Βίνπ Μάζεζε» θαη ζπγρξεκαηνδνηείηαη από ηελ Δπξωπαϊθή Έλωζε (Δπξωπαϊθό Κνηλωληθό Σακείν) θαη από εζληθνύο πόξνπο. ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 3

4 Δλόηεηα 6 ΛΔΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ I Νηθνιαΐδεο Αζαλάζηνο Γηδάθηνξαο Αλάπηπμεο Σερληθώλ Πξνζηαζίαο Πιεξνθνξίαο Δηθόλαο ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 4

5 Πεξηερόκελα ελόηεηαο 1. Δπξπδωληθή Πξόζβαζε ΜΔΣΑΛΛΟΤΡΓΙΚΔ 2. Αζύξκαηε Δπξπδωληθή Πξόζβαζε 3. Δπξπδωληθά Αζύξκαηα Γίθηπα 4. Αλάπηπμε ηεο Δπξπδωληθόηεηαο 5. Σερληθέο Πξνθιήζεηο Δπξπδωληθή Πξόζβαζε 6. Σερληθέο Πξνθιήζεηο- Αζύξκαην ξαδηνθπκαηηθό θαλάιη 7. Σερληθέο Πξνθιήζεηο- Παξεκπόδηζε ιόγω κεγάιωλ εκπνδίωλ Γηαθύκαλζε πεξηβάιινπζαο 8. Σερληθέο Πξνθιήζεηο- Γηαζπκβνιηθή Παξεκβνιή 9. Σερληθέο Πξνθιήζεηο-Γηαζπνξά ζπρλόηεηαο ιόγω θίλεζεο 10. Σερληθέο Πξνθιήζεηο- Παξεκβνιή ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 5

6 θνπνί ελόηεηαο ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 6

7 Νιματα Οι διεργαςίεσ ζχουν τα παρακάτω ςυςτατικά: Ζνα χϊρο διευκφνςεων υμφραηόμενα τθσ KME (CPU context) ι νήμα ελζγχου (thread of control) ε πολυεπεξεργαςτικά ςυςτιματα κα είχε νόθμα για μια διεργαςία να ζχει πολλά νιματα ελζγχου Η κλιςθ fork ενόσ νιματοσ παράγει νζο νιμα και όχι μνιμθ Πολλαπλά νιματα ελζγχου κα μποροφςαν να τρζχουν ςτον ίδιο χϊρο μνιμθσ ακόμθ και ςε μονοεπεξεργαςτικά ςυςτιματα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 7

8 Νιματα Κάκε νιμα μοιράηεται με μθδζν ι περιςςότερα νιματα το χϊρο διευκφνςεων μιασ διεργαςίασ Σα νιματα ζχουν το δικό τουσ: PC, SP, κατάςταςθ καταχωρθτϊν, ςτοίβα Μποροφμε να δοφμε μια παραδοςιακι διεργαςία ωσ ζνα χϊρο διευκφνςεων μνιμθσ με ζνα μοναδικό νιμα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 8

9 Μοναδικό νιμα ςε μία διεργαςία ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 9

10 Πολλαπλά νιματα ςε ζνα χϊρο διευκφνςεων ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 10

11 Σί είναι ζνα νιμα; Ζνα νιμα εκτελεί ζνα ρεφμα από εντολζσ Είναι μια αφαίρεςθ για τθ ροι ελζγχου Πρακτικά, είναι μια κατάςταςθ KME και μια ςτοίβα Σου ανατίκεται μια KME από τον χρονοπρογραμματιςτι Εκτελείται ςτα ςυμφραηόμενα ενόσ χϊρου διευκφνςεων ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 11

12 Περίλθψθ τθσ ιδιωτικισ, ανά νιμα, κατάςταςθσ Σι ορίηει τθν κατάςταςθ μιασ ςυγκεκριμζνθσ ροισ ελζγχου ςε ζνα εκτελοφμενο πρόγραμμα: τοίβα (τοπικζσ παράμετροι) Δείκτθσ ςτοίβασ Καταχωρθτζσ Ιδιότθτεσ χρονοπρογραμματιςμοφ (π.χ. προτεραιότθτα) ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 12

13 Διαμοιραηόμενθ κατάςταςθ μεταξφ νθμάτων Σι ςχετίηεται με το ςτιγμιότυπο ενόσ εκτελοφμενου προγράμματοσ: UID, GID, PID Υώξνο δηεπζύλζεωλ Κώδηθαο Γεδνκέλα (εθηόο ζηνίβαο ζθαηξηθέο κεηαβιεηέο) ωξόο (δπλακηθά δεδνκέλα) Αλνηρηά αξρεία, ππνδνρέο, θιεηδώκαηα Αιιαγέο πνπ γίλνληαη από έλα λήκα ζηε δηακνηξαδόκελε θαηάζηαζε είλαη νξαηέο από ηα άιια (απαηηείηαη ζπγρξνληζκόο) ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 13

14 Πϊσ προγραμματίηουμε με χριςθ νθμάτων; Χωρίηουμε το πρόγραμμα ςε ρουτίνεσ για να εκτελοφνται παράλλθλα Αλθκινόσ ι ψεφδο-παραλλθλιςμόσ (διαφφλλωςθ) Εναλλακτικζσ ςτρατθγικζσ για εκτζλεςθ πολλαπλϊν ρουτινϊν ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 14

15 Γιατί προγραμματιςμόσ με νιματα; Χρθςιμοποιοφνται πολλαπλζσ ΚΜΕ παράλλθλα Μικρό κόςτοσ δθμιουργίασ/καταςτροφισ νθμάτων Επικάλυψθ υπολογιςμϊν και μπλοκαρίςματοσ ςε μονι ΚΜΕ Μπλοκάριςμα λόγω Ε/Ε Τπολογιςμοί και επικοινωνία Σαχφτερθ εκτζλεςθ εφαρμογισ (όταν υπάρχει και πολλι χριςθ Ε/Ε) ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 15

16 Χριςθ νθμάτων Έναρ επεξεπγαστήρ κειμένος με τπία νήματα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 16

17 Διεργαςίεσ εναντίον νθμάτων - παράδειγμα Μια διεργαςία παγκόςμιου ιςτοφ GET / HTTP/1.0 HTTPD δίσκος ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 17

18 Διεργαςίεσ εναντίον νθμάτων - παράδειγμα Μια διεργαςία παγκόςμιου ιςτοφ GET / HTTP/1.0 HTTPD δίσκορ Γιατί δεν είναι καλι ςχεδίαςθ διακομιςτι ιςτοφ; ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 18

19 Διεργαςίεσ εναντίον νθμάτων - παράδειγμα Μια διεργαςία παγκόςμιου ιςτοφ GET / HTTP/1.0 HTTPD HTTPD δίσκορ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 19

20 Διεργαςίεσ εναντίον νθμάτων - παράδειγμα Μια διεργαςία παγκόςμιου ιςτοφ GET / HTTP/1.0 HTTPD GET / HTTP/1.0 δίσκορ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 20

21 Διεργαςίεσ εναντίον νθμάτων - παράδειγμα Μια διεργαςία παγκόςμιου ιςτοφ GET / HTTP/1.0 HTTPD GET / HTTP/1.0 GET / HTTP/1.0 δίσκορ GET / HTTP/1.0 ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 21

22 Νιματα ςε ζναν διακομιςτι ιςτοφ Ένας πολυνηματικός διακομιστής ιστοφ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 22

23 Χριςθ νθμάτων Χονδρικό περίγραμμα του κϊδικα τθσ προθγοφμενθσ διαφάνειασ (a) (b) Νιμα διεκπεραιωτι Νιμα εργαςίασ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 23

24 Επιλογζσ δόμθςθσ ςυςτιματοσ Σρεισ τρόποι να δομθκεί ζνασ διακομιςτισ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 24

25 Κοινά μοντζλα προγραμματιςμοφ νθμάτων Διαχειριςτι/εργάτθ Ο διαχειριςτισ χειρίηεται τθν Ε/Ε και ανακζτει δουλειά ςτουσ εργάτεσ Οι εργάτεσ μποροφν να δθμιουργοφνται δυναμικά ι να παρζχονται από μια δεξαμενι νθμάτων Διοχζτευςθ Κάκε νιμα χειρίηεται διαφορετικό ςτάδιο μιασ γραμμισ ςυναρμολόγθςθσ Σα νιματα παραδίδουν δουλειά το ζνα ςτο άλλο ςε μια ςχζςθ παραγωγοφ-καταναλωτι ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 25

26 Πϊσ μοιάηει ζνα τυπικό πολυνθματικό API; τάνταρ νιματα POSIX (Pthreads) Σο πρϊτο νιμα υπάρχει ςτθ main(), τυπικά δθμιουργεί τα άλλα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 26

27 Χρθςιμοποιϊντασ τισ ςυναρτιςεισ create, join και exit ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 27

28 Παράδειγμα με Pthreads #include <pthread.h> #include <stdio.h> #define NUM_THREADS 5 void *PrintHello(void *threadid) { printf("\n%d: Hello World!\n", threadid); pthread_exit(null); } int main (int argc, char *argv[]) { pthread_t threads[num_threads]; int rc, t; for(t=0; t<num_threads; t++) { printf("creating thread %d\n", t); rc = pthread_create(&threads[t], NULL, PrintHello, (void *)t); if (rc) { printf("error; return code from pthread_create() is %d\n", rc); exit(-1); } } pthread_exit(null); } Έξοδορ ππογπάμματορ Creating thread 0 Creating thread 1 0: Hello World! 1: Hello World! Creating thread 2 Creating thread 3 2: Hello World! 3: Hello World! Creating thread 4 4: Hello World! ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 28

29 Τπζρ και κατά των νθμάτων Τπζρ: Επικάλυψθ Ε/Ε με υπολογιςμοφσ Φκθνότερεσ μεταγωγζσ περιβάλλοντοσ Καλφτερθ αντιςτοίχιςθ ςε πολυεπεξεργαςτζσ διαμοιραηόμενθσ μνιμθσ Κατά: Πικανζσ αλλθλεπιδράςεισ νθμάτων Πολυπλοκότθτα αποςφαλμάτωςθσ Πολυπλοκότθτα πολυνθματικοφ προγραμματιςμοφ Προσ τα πίςω ςυμβατότθτα με υπάρχοντα κϊδικα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 29

30 Νιματα επιπζδου χριςτθ Πολλαπλοί ιδεατοί απαρικμθτζσ προγράμματοσ πάνω από ζναν πραγματικό με προνομιοφχο ι μι κϊδικα Σα νιματα μποροφν να υλοποιθκοφν ςτο επίπεδο του Λ.. ι του χριςτθ Τλοποιιςεισ επιπζδου χριςτθ: Ο χρονοπρογραμματιςτισ τρζχει ωσ κϊδικασ χριςτθ (βιβλιοκικθ νθμάτων) Διαχειρίηεται ςυμφραηόμενα νθμάτων ςτο χϊρο χριςτθ Σο υποκείμενο Λ.. βλζπει μόνο μια παραδοςιακι διεργαςία από πάνω. ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 30

31 Νιματα επιπζδου χριςτθ Ο θώδηθαο κεηαγωγήο κεηαμύ λεκάηωλ είλαη ζην ρώξν ρξήζηε ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 31

32 Νιματα επιπζδου χριςτθ Πλεονεκτιματα: Οικονομικι μεταγωγι περιβάλλοντοσ μεταξφ νθμάτων τθσ ίδιασ διεργαςίασ Κλήση διαδικασίας και όχι συστήματος Πολιτικι χρονοδρομολόγθςθσ προγραμματιηόμενθ από το χριςτθ Μειονεκτιματα: Πϊσ χειριηόμαςτε τισ αναςταλτικζσ κλιςεισ ςυςτιματοσ; Πϊσ επικαλφπτουμε υπολογιςμοφσ και Ε/Ε; ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 32

33 Νιματα επιπζδου πυρινα Ο κϊδικασ μεταγωγισ μεταξφ νθμάτων είναι ςτον πυρινα ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 33

34 Τβριδικι υλοποίθςθ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 34

35 Σέινο Δλόηεηαο ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΚΑ ΤΣΗΜΑΣΑ II - ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΣΕ 35