03-threads-and-syncronization

Тема 3. Нишки и синхронизация

Съдържание:

1. Нишки
2. POSIX Pthreads стандартната библиотека
3. Синхронизация между нишки

---

1. Нишки

Фиг. 1.1. Нишки и процеси

• Съвременните операционни системи поддържат изпълнението на много нишки в рамките на един процес.
• Нишките на един процес се изпълняват паралелно.
• Всяка нишка притежава състояние:
  • Нова
  • В изпълнение
  • Блокирана
  • Унищожена

Фиг. 1.2. Състояния на нишките

• Нишките имат достъп до паметта и всички ресурси на процеса, в който се изпълняват.Ресурсите на процеса са общи за всички нишки.
• Нишките притежават и локална за нишките памет – т.е. те могат да съхраняват стойности, които са локални за нишката (не се виждат от другите нишки).
• Нишките, които са част от един и същ процес, си поделят адресното пространство и файловете, и поради това те могат да комуникират без обръщане към ядрото.

Фиг. 1.3. Разпределение на ресурсите на даден процес, при употребата на една или няколко нишки

2. POSIX Pthreads стандартната библиотека

• POSIX Pthreads е стандартна за UNIX операционните системи, която дефинира стандартно API за създаване на нишки и синхронизация.

• Първоначално главната функция main() разполага с единствена нишка – нишката на процеса. Всички останали нишки трябва изрично да бъдат създадени.

• Функцията pthread_create() се използва за създаване на нова нишка. Тази функция може да се вика произволен брой пъти от всяка точка на програмата.

  • Приема 4 аргумента:
    • thread – уникален идентификатор на създадената нишка.
    • attr – специфицира атрибутите на нишката.
    • start_routine – функция, която се изпълнява от нишката при нейното стартиране.
    • arg – аргумент, който се предава на функцията start_routine.
  • За повече информация - man pthread_create.
  • Ако нямате manual pages за pthread, трябва да инсталирате manpages-posix и manpages-posix-dev пакетите.

• Веднъж създадени, нишките са равнопоставени, и могат да създавата други нишки. Няма йерархия или зависимост между нишките.

• Има няколко начина, по които една Pthread нишка може да бъде унищожена:

  • Функцията, която се изпълнява от нишката завършва нормално работата си и извиква return.
  • Функцията, която се изпълнява от нишката извиква библиотечната функция pthread_exit().
  • Нишката може да бъде спряна от друга нишка като се използва библиотечната функция pthread_cancel().
  • Когато процеса, в който живее нишката, бъде унищожен, се унищожавт и всички негови нишки.

• Също така, може да се изчака приключването на нишка от друга нишка, чрез pthread_join()

  • Функцията pthread_join() блокира нишката, която я извиква, докато нишката с даден идентификатор не завърши работа.
  • Всяка нишка може да бъде присъединена само веднъж. Опитът една нишка да бъде присъединена няколко пъти е логическа грешка.

Фиг. 2.1. Присъединяване на нишки

3. Синхронизация между нишки

1. Условие за надпревара (Race condition)

   • Условие на надпревара (race condition) се нарича ситуацията, при която няколко нишки конкурентно манипулират данни, които са общи.
   • За да се предотврати създаването на условие за надпревара (race condition), конкурентните нишки трябва да бъдат синхронизирани.
   • Why Computers Can't Count Sometimes

2. Атомарни операции

   • Атомарна се нарича операция, която се изпълнява изцяло, без да бъде прекъсвана от операционната система.

3. Критична секция

   • Ако няколко нишки трябва да достъпят общ ресурс, всяка нишка има участък от кода, в който работи с общите за всички нишки данни. Такъв участък от кода се нарича критична секция.
   • Трябва да се изгради механизъм, чрез който да се гарантира, че когато един процес се намира в критична секция, никой друг процес не може да влезе в своята критична секция.
   • Този механизъм трябва да притежава следните свойства:
     • Взаимно изключване: когато нишката T се намира в критична секция, никоя друга нишка не може да навлезе в своята критична секция. Във всеки един момент от време само един процес може да се намира в критична секция.
     • Процес, който не се намира в критична секция, не може да влияе на другите процеси.
     • Механизмът не трябва да разчита на предположения относно скоростта на изпълнение на процесите.
   • Това може да се реализира чрез семафори.

4. Семафори

   • Семафорът е специален вид променлива, която се използва за комуникация между процесите. Използвайки семафори, дадена нишка/процес може да изпраща сигнал на друга нишка/процес и/или да очакват да получи сигнал от друг процес.
   • Когато даден процес очаква да получи сигнал, той преминава в състояние "блокиран" (blocked).
   • С всеки семафор е асоциирана неотрицателна целочислена променлива.
   • Когато променливата е равна на 0, семафорът е заключен.
   • Когато променливата е положителна (>0), тогава семафорът е отключен.
   • Mutual exclusion (mutex) е вид семафора, чиято стойност е 0 (заключен) или 1 (отключен).
   • Семафората предоставя и 2 метода - wait() и signal()
   • signal() увеличава числото в семафората
   • wait() - изчаква, ако числото е 0 и го намалява, когато то стане положително.
   • Върху семафорите могат да се изпълняват само две операции, които са атомарни (неделими).