Sop_09_lab.pdf

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 9.

[ilość modułów: 2]

Temat zajęć: Tworzenie i obsługa wątków.

Tworzenie wątków, przekazywanie parametrów do funkcji wątków i

pobieranie wyników, synchronizacja wątków, implementacja

przykładowych programów obsługi wątków

I. Wątki

Wątki określane są jako wydzielone sekwencje przewidzianych do wykonania instrukcji, które są

realizowane w ramach jednego procesu. Każdy wątek ma swój własny stos, zestaw rejestrów, licznik

programowy, indywidualne dane, zmienne lokalne, i informację o stanie. Wszystkie wątki danego

procesu mają jednak tę samą przestrzeń adresową., ogólną obsługę sygnałów, pamięć wirtualną,

dane oraz wejście-wyjście. W ramach procesu wielowątkowego każdy wątek wykonuje się

oddzielnie i asynchronicznie.

Wszystkie programy korzystające z funkcji operujących na wątkach normy POSIX zawierają

dyrektywę #include <pthread.h> . Kompilując przy użyciu gcc programy korzystające z tej

biblioteki, należy wymusić jej dołączenie, przez użycie opcji -lpthread :

gcc -lpthread program.c

Każdy proces zawiera przynajmniej jeden główny wątek początkowy, tworzony przez system

operacyjny w momencie stworzenia procesu. By do procesu dodać nowy wątek należy wywołać

funkcję pthread_create . Nowo utworzony wątek zaczyna się od wykonania funkcji użytkownika

(przekazanej mu przez argument pthread_create ). Wątek działa aż do czasu wystąpienia jednego z

następujących zdarzeń: zakończenia funkcji, wywołania funkcji pthread_exit, anulowania wątku za

pomocą funkcji pthread_cancel , zakończenia procesu macierzystego wątku, wywołania funkcji

exec przez jeden z wątków.

Przetwarzanie realizowane przez wątki musi być odpowiednio synchronizowane, tak, by wykonując

operacje na wspólnych strukturach danych nie dopuścić do niespójności danych. Stosowane są dwie

metody zapewnienia odpowiedniej koordynacji wątków: korzystanie z zamków (czyli blokad

wzajemnie wykluczających, dalej nazywanych muteksami od nazw funkcji) lub korzystanie z

konstrukcji nazywanych zmiennymi warunkowymi.

Zmienną muteksową można porównać do semafora binarnego, który wątki mogą posiadać. Mutex

albo zezwala na dostęp, albo go zabrania. Zamknięcia muteksu może dokonać dowolny wątek

znajdujący się w jego zasięgu, natomiast otworzyć go może tylko wątek który go zamknął. Wątki,

które nie mogą uzyskać dostępu do muteksu są blokowane w oczekiwaniu na niego. Operacje

wykonywane na muteksach są niepodzielne. Jeśli za pomocą muteksów trzeba synchronizować

wątki kilku procesów, należy odwzorować muteks w obszar pamięci współdzielonej dostępny dla

wszystkich procesów.

Kiedy niezbędne jest synchronizowanie wątków za pomocą bieżących wartości danych chronionych

muteksami, można użyć konstrukcji nazywanych zmiennymi warunkowymi. Zmienna warunkowa

jest kojarzona z konkretnym muteksem i predykatem. Podobnie jak muteks może ona być

odwzorowana w pamięć współdzieloną, dzięki czemu może być używana przez parę procesów.

Głównym zadaniem zmiennych warunkowych jest powiadamianie innych procesów o tym, że dany

warunek został spełniony, lub do blokowania procesu w oczekiwaniu na otrzymanie powiadomienia.

W momencie kiedy wątek jest blokowany na zmiennej warunkowej, skojarzony z nim muteks jest

zwalniany. W oczekiwaniu na to samo powiadomienie zablokowanych może być kilka wątków.

Wątek wystosowuje powiadamianie wysyłając sygnał do skojarzonej zmiennej warunkowej.

str. nr 1 /7

Czas realizacji zajęć: 180 min.

Zakres materiału, jaki zostanie

zrealizowany podczas zajęć:

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 9.

[ilość modułów: 2]

II. Funkcje systemowe służące do tworzenia wątków

● pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, void*

(*start_routine) (void*),void *arg) —

utworzenie wątku. Wątek wykonuje funkcję wskazywaną przez parametr start_routine.

Parametry funkcji muszą być przekazane przez wskaźnik na obszar pamięci (strukturę),

który zawiera odpowiednie wartości. Wskaźnik ten jest przekazywany przez parametr arg i

jest dalej przekazywany jako parametr aktualny do funkcji wykonywanej przez wątek.

Parametr attr wskazuje na atrybuty wątku, a przez wskaźnik thread zwracany jest

identyfikator wątku.

● pthread_exit(void *retval) —

zakończenie wątku. Funkcja powoduje zakończenie wątku i przekazanie retval , jako

wskaźnika na wynik. Wskaźnik ten może zostać przejęty przez inny wątek, który będzie

wykonywał funkcję pthread_join.

● pthread_join(pthread_t th, void **thread_return) —

oczekiwanie na zakończenie wątku. Funkcja umożliwia zablokowanie wątku w oczekiwaniu

na zakończenie innego wątku, identyfikowanego przez parametr th . Jeśli oczekiwany wątek

zakończył się wcześniej, funkcja zakończy się natychmiast. Funkcja przekazuje przez

parametr thread_return wskaźnik na wynik wątku (wykonywanej przez niego funkcji),

przekazany jako parametr funkcji pthread_exit wywołanej w zakończonym wątku.

● pthread_cancel(pthread_t thread) —

zakończenie wykonywania innego wątku. Funkcja umożliwia wątkowi usunięcie z systemu

innego wątku, identyfikowanego przez parametr thread .

III. Funkcje systemowe służące do synchronizacji wątków

1) Wzajemne wykluczanie:

Do zapewnienia wzajemnego wykluczania używana jest zmienna (o przykładowej nazwie mutex ),

zadeklarowana następująco:

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

● pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) —

zajęcie zamka. Funkcja powoduje zajęcie zamka wskazywanego przez parametr mutex ,

(zajęcie sekcji krytycznej) poprzedzone ewentualnym zablokowaniem wątku do czasu

zwolnienia zamka, jeśli został on wcześniej zajęty przez inny wątek.

● pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) —

zwolnienie zamka. Funkcja powoduje zwolnienie zamka wskazywanego przez parametr

mutex (zwolnienie sekcji krytycznej), umożliwiając jego zajęcie innemu wątkowi.

● pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex) —

próba zajęcia zamka. Funkcja powoduje zajęcie zamka wskazywanego przez parametr

str. nr 2 /7

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 9.

[ilość modułów: 2]

mutex , jeśli nie jest zajęty przez inny wątek. W przeciwnym przypadku zwraca błąd, nie

blokując tym samym procesu.

2) Zmienne warunkowe

Synchronizacja za pomocą zmiennych warunkowych polega na usypianiu i budzeniu wątku w sekcji

krytycznej. W tym celu używana jest zmienna warunkowa (o przykładowej nazwie cond ),

zadeklarowana następująco:

pthread_cond_t cond = PTHREA D_COND_INITIALIZER;

● pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) —

oczekiwanie na sygnał. Funkcja powoduje uśpienie wątku na zmiennej warunkowej,

wskazywanej przez parametr cond . Na czas uśpienia wątek zwalnia zamek, wskazywany

przez parametr mutex , udostępniając tym samym sekcję krytyczną innym wątkom. Po

obudzeniu i wyjściu z funkcji (na skutek odebraniu sygnału wysłanego przez

pthread_cond_signal ) zamek zajmowany jest ponownie.

● pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) —

wysłanie sygnału (obudzenie) do jednego z oczekujących na zmiennej warunkowej

wskazywanej przez cond .

IV. Implementacja przykładowych programów obsługi wątków

Listing 1 prezentuje implementację programu tworzącego wątek.

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

3 #include <unistd.h>

void *Hello(void *arg) {

6 int i;

for ( i=0; i<20; i++ ) {

printf("Wątek mówi cześć!\n");

sleep(1);

}

return NULL;

12 }

int main(void) {

15 pthread_t mojwątek;

if ( pthread_create( &mojwątek, NULL, Hello,NULL) )

printf("błąd przy tworzeniu wątku\n"); abort();

if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) {

printf("błąd w kończeniu wątku\n");

exit();

}

exit(0);

24 }

Listing 1:Tworzenie wątku

str. nr 3 /7

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 9.

[ilość modułów: 2]

Opis programu : W funkcji main() jest zadeklarowana zmienna typu pthread_t (zdefiniowany w

pthread.h) o nazwie mojwątek . Zawiera ona identyfikator wątku i należy jej używać jako odniesienia

do danego wątku w celu efektywnego nim zarządzania. Po zadeklarowaniu zmiennej mojwątek ,

wywoływana jest funkcja pthread_create , która de facto tworzy właściwy wątek. Samo wywołanie

znajduje się w instrukcji warunkowej "if", dzięki czemu programista ma pewność, że funkcja

zwróciła zero w przypadku sukcesu i wątek został powołany do życia. W przeciwnym wypadku

zostanie wyświetlony komunikat o błędzie. Gdy funkcja Hello się wykona, wątek, który ją wywołał

również zostanie zakończony. W tym przypadku nie robi ona nic sensownego, po prostu wypisuje

"Wątek mówi cześć!" dwudziestokrotnie, na standardowe wyjście. Warto zwrócić uwagę, że

przyjmuje ona argument typu void* i takiego samego typu wartość jest zwracana. Oznacza to, że

można przekazać jej dodatkową porcję danych w argumencie i można też takową otrzymać.

Przedstawiony program składa się z dwu wątków – program główny także jest traktowany jako

Listing 2 przedstawia program, w którym z powodu braku synchronizacji wątki nadpisują wyniki

swojej pracy.

str. nr 4 /7

Laboratorium systemów operacyjnych – ćwiczenie nr 9.

[ilość modułów: 2]

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int mojazmiennaglobalna=0;

void *Hello(void *arg) {

int i,j;

for ( i=0; i<20; i++ ) {

j=mojazmiennaglobalna;

j=j+1;

printf(".");

fflush(stdout);

sleep(1);

jazmiennaglobalna=j;

}

return NULL;

}

int main(void) {

pthread_t mojwątek;

int i;

if ( pthread_create( &mojwątek, NULL, Hello, NULL) ) {

printf("błąd przy tworzeniu wątku.");

abort();

}

for ( i=0; i<20; i++) {

mojazmiennaglobalna=mojazmiennaglobalna+1;

printf("o");

fflush(stdout);

sleep(1);

}

if ( pthread_join ( mojwątek, NULL ) ) {

printf("błąd przy kończeniu wątku.");

abort();

}

printf("\nMoja zmienna globalna wynosi

%d\n",mojazmiennaglobalna);

exit(0);

}

Listing 2: Nadpisywanie wyników przez współbieżnie działające wątki

Opis programu : Program, podobnie jak poprzedni, tworzy nowy wątek. Zarówno ten wątek, jak i

wątek główny inkrementują zmienną "mojazmiennaglobalna" dwudziestokrotnie. Jednakże w

wyniku współbieżnego działania wątki nadpisują zapisywane przez siebie wartości.

Listing 3 przedstawia poprawiony program z listingu 2, który wykorzystuje muteksy w celu

synchronizacji wątków.

str. nr 5 /7

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: