Operating System Lecture 4: Threads PDF

‫سیستم عامل‬ Operating system Click to edit Master subtitle style Lecture 4 Thread ‫نخ‬  ‫‪2‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخ ‪Thread‬‬...

‫سیستم عامل‬ Operating system Click to edit Master subtitle style Lecture 4 Thread ‫نخ‬  ‫‪2‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخ ‪Thread‬‬ ‫‪ ‬نخها دو یا چند کار را همزمان با هم انجام میدهند‪.‬‬ ‫‪ ‬نخها همانند برنامه نویسی ترتیبی دارای موارد زیرند‪.‬‬ ‫‪ ‬نقطه شروع‬ ‫‪ ‬ترتیب اجرا‬ ‫‪ ‬نقطه پایانی‬ ‫در حین اجرای نخها در هر لحظه از زمان یک نقطه اجرای یکتا وجود دارد‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫یک نخ به خودی خود یک برنامه نیست و نمی تواند اجرا شود‪.‬بلکه در داخل برنامه اجرا‬ ‫‪‬‬ ‫میشود‪.‬‬ ‫بعضی از متون به جای واژه نخ از واژه فرایند سبک وزن استفاده میکنند‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫یک نخ همانند یک فرایند واقعی است و در هر دو یک کنترل ترتیبی ساده وجود دارد‪.‬با این‬ ‫‪‬‬ ‫حال نخ یک فرایند سبک وزن است‪ ،‬چرا که در متن یک برنامه کامل اجرا میشود و از منابع‬ ‫تخصیص یافته به برنامه و محیط برنامه استفاده میکند‪.‬‬ ‫گاهی به نخ رد دستورالعمل نیز می گویند‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫به دلیل کنترل جریان ترتیبی نخها‪ ،‬هر نخ باید منابع مخصوص به خود را در حین اجرای‬ ‫‪‬‬ ‫برنامه داشته باشد‪.‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخ ‪Thread‬‬ ‫‪ ‬شکل زیر روابط بین نخ و فرایند را نشان میدهد‪.‬‬  ‫‪4‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخهای چندگانه‬ ‫‪ ‬ممکن است در یک زمان چندین نخ در یک برنامه در حال اجرا باشند و کارهای‬ ‫متفاوتی را انجام دهند‪.‬شکل زیر این مطلب را نشان میدهد‪.‬‬  ‫‪5‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫چندنخی‬ ‫‪ ‬چند نخی به قابلیتی از سیستم عامل گفته میشود که از وجود چند نخ اجرا در‬ ‫یک فرایند واحد حمایت میکند‪.‬‬ ‫‪ MS-DOS ‬از فرایند تک کاربره و از نخ واحد حمایت میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬محیط زمان اجرای جاوا نمونه سیستمی از یک فرایند و چند نخ می باشد‪.‬‬ ‫‪ ‬یونیکس از فرایند های کاربران متعدد ولی فقط با یک نخ در هر فرایند حمایت‬ ‫میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬ویندوز‪ ،2000‬لینوکس‪.. ،‬از فرایندهای چندنخی حمایت میکنند‪.‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫چندنخی و چند فرایندی‬  ‫‪7‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫بخشهای اطالعاتی فرایند و نخ‬ ‫‪ ‬در محیط چند نخی موارد زیر همراه هر فرایند هستند‪:‬‬ ‫‪ ‬فضای آدرس مجازی که تصویر فرایند را در بر دارد‬ ‫‪ ‬دسترسی حفاظت شده به پردازنده ها‪ ،‬فرایندهای دیگر‪،‬پرونده ها و منابع ورودی‬ ‫‪/‬خروجی‬ ‫‪ ‬در داخل هر فرایند یک یا چند نخ هر یک با موارد زیر ممکن است وجود داشته باشد‪:‬‬ ‫‪ ‬حالت اجرای نخ (اجرا‪ ،‬آماده‪ ،‬غیره)‬ ‫‪ ‬متن نخ ذخیره شده (که در حال اجرا نیست)‬ ‫‪ ‬پشته اجرا‬ ‫‪ ‬مقداری حافظه ایستا برای متغیرهای محلی هر نخ‬ ‫‪ ‬دسترسی به حافظه و منابع فرایند که مورد اشتراک تمام نخهای فرایند هستند‪.‬‬ 8 [email protected] ‫مدل تک نخی و چند نخی‬  ‫‪9‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫مزایای نخها‬ ‫‪ ‬ایجاد یک نخ جدید در یک فرایند موجود از ایجاد یک وظیفه جدید بسیار کمتر‬ ‫وقت می برد‪.‬‬ ‫‪ ‬پایان دادن به یشک نخ سریعتر است‪.‬‬ ‫‪ ‬تعویض دو نخ داخل یک فرایند کمتر وقت میگیرد‪.‬‬ ‫‪ ‬مورد دیگری که نخها موجب بهبود کارایی میشوند در ارتباط بین برنامه های‬ ‫در حال اجرای مختلف است‪.‬نظر به اینکه نخهای داخل یک فرایند در حافظه‬ ‫و پرونده ها شریک هستند‪ ،‬میتوانند بدون دخالت هسته با یکدیگر ارتباط برقرار‬ ‫کنند‪.‬‬  ‫‪10‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخها‬ ‫‪ ‬تعلیق مستلزم مبادله فضای آدرسها‪ ،‬به خارج از حافظه اصلی است‪.‬از آنجا که‬ ‫تمام نخهای یک فرایند از فضای آدرسهای مشترک استفاده میکنند‪ ،‬باید در‬ ‫همان زمان تمام نخها به حالت معلق وارد شوند‪.‬‬ ‫‪ ‬پایان یافتن فرایند موجب پایان یافتن تمام نخهای آن فرایند میشود‪.‬‬  ‫‪11‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫حاالت و اعمال نخها‬ ‫‪ ‬نخها نیز مانند فرایندها دارای حاالت اصلی اجرا‪ ،‬آماده‪ ،‬مسدود هستند‪.‬بیان‬ ‫حالت معلق برای نخ بی معناست‪ ،‬چرا تعلیق در سطح فرایند انجام می شود‪.‬‬ ‫‪ ‬چهار عمل نخها با تغییر حالت همراه است‪:‬‬ ‫‪ ‬ایجاد زایش‬ ‫‪ ‬مسدود شدن‬ ‫‪ ‬رفع مسدود بودن‬ ‫‪ ‬پایان ‪ :‬آزاد کردن ثبات متن و پشته اجرای نخ‬ ‫‪12‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫فراخوانی رویه از راه دور با استفاده ازنخها‬ ‫‪13‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫فراخوانی رویه از راه دور با استفاده ازنخها‪:‬‬  ‫‪14‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخهای سطح کاربر‬ ‫‪ ‬تمام کار مدیریت نخها توسط کاربر انجام میگیرد‪.‬‬ ‫‪ ‬هسته از وجود نخها بی اطالع است‪.‬‬ ‫‪ ‬با استفاده از کتابخانه نخها که مجموعه ای از روالها برای مدیریت نخهای سطح‬ ‫کاربر است‪،‬میتوان کاربرد ها را به صورت چندنخی برنامه سازی کرد‪.‬‬ ‫‪ ‬کتابخانه نخها شامل کد ایجاد و تخریب نخها‪ ،‬کد انتقال پیام ها و داده ها بین‬ ‫نخها‪ ،‬کد زمانبندی اجرای نخها‪ ،‬و کد ذخیره و بار کردن متن نخهاست‪.‬‬ ‫‪15‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نخهای سطح هسته‬ ‫‪ ‬لینوکس‪ OS/2 ،‬و‪ W2K‬نمونه هایی از این رویکرد اند‪.‬‬ ‫‪ ‬هسته متن اطالعات را برای فرایندها و نخها نگهداری میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬زمانبندی توسط هسته و بر مبنای نخ صورت میگیرد‪.‬‬  ‫‪16‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫عیب نخهای سطح کاربر‬ ‫‪ ‬در یک سیستم عامل متداول‪ ،‬اکثر فراخوانی های سیستم مسدود کننده هستند‪.‬‬ ‫بنابراین وقتی نخی یک فراخوانی سیستم را اجرا میکند نه تنها آن نخ بلکه تمام‬ ‫نخهای آن فرایند مسدود کننده اند‪.‬‬ ‫‪ ‬در یک راهبرد نخ سطح کاربر محض‪ ،‬کاربرد چند نخی نمیتواند از از امتیازات‬ ‫چند پردازشی استفاده نماید‪.‬هسته در هر زمان یک فرایند را فقط به یک‬ ‫پردازنده نسبت میدهد‪.‬بنابراین در هر لحظه فقط یک نخ داخل فرایند‬ ‫میتواند اجرا شود‪.‬‬  ‫‪17‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫مزیت نخهای سطح کاربرنسبت به نخ های سطح هسته‬ ‫‪ ‬تعویض نخ به حالت ممتاز هسته نیاز ندارد‪ ،‬زیرا تمام ساختمان داده های مدیریت‬ ‫نخ در داخل فضای آدرس کاربر یک فرایند واحد قرار دارند‪.‬بنابراین برای مدیریت نخ‬ ‫نیازی به تعویض فرایند به حالت ممتاز هسته نیست‪.‬این‪ ،‬امکان صرفه جویی دو‬ ‫تعویض حالت(از کاربر به هسته و بالعکس) را میدهد‪.‬‬ ‫‪ ‬کاربرد میتواند زمانبندی خاص داشته باشد‪.‬ممکن است کاربردی از یک الگوریتم‬ ‫زمانبندی نوبت گردشی ساده سود ببرد‪ ،‬در حالی که برای کاربرد دیگری یک الگوریتم‬ ‫زمانبندی مبتنی بر اولویت مفید تر باشد‪.‬میتوان الگوریتم زمانبندی را متناسب با‬ ‫کاربرد در نظر گرفت‪ ،‬بدون اینکه باری برای سیستم عامل داشته باشد‪.‬‬ ‫‪ ‬نخ های سطح کاربر میتوانند بر روی هر سیستم عاملی اجرا شوند‪.‬هیچ تغییری در‬ ‫هسته برای حمایت از نخهای سطح کاربر الزم نیست‪.‬کتابخانه نخها‪ ،‬مجموعه ای از‬ ‫برنامه های سودمند در سطح کاربرد و مورد اشتراک تمام کاربرد هاست‬  ‫‪18‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫عیب نخهای سطح هسته در مقابل نخهای سطح کاربر‬ ‫‪: ‬انتقال کنترل از یک نخ به نخ دیگر در داخل یک فرایند نیز نیازمند تغییر به‬ ‫حالت هسته است و این امر زمانبر است‪.‬‬  ‫‪19‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫مزیت نخهای سطح هسته‬ ‫‪ ‬این رویکرد هر دو اشکال نخهای سطح کاربر را رفع میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬اوال هسته میتواند به طور همزمان نخهای چندگانه یک فرایند واحد را روی‬ ‫پردازنده های متعدد زمانبندی نماید‪.‬‬ ‫‪ ‬ثانیا اگر نخی از یک فرایند مسدود است‪ ،‬هسته میتواند نخ دیگری از همان‬ ‫فرایند را زمانبدی نماید‪.‬‬ ‫‪ ‬امتیاز دیگر‪ :‬خود روال های هسته نیز می توانند چند نخی باشند‪.‬‬  ‫‪20‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫راهبرد ترکیبی‬ ‫‪ ‬بعضی از سیستم های عامل ترکیبی از نخهای سطح کاربر و نخهای سطح هسته‬ ‫را ارائه میدهند‪.‬‬ ‫‪ Solaris ‬نمونه ای از این نوع سیستم عامل است‪.‬‬ ‫‪ ‬تولید نخ به طور کامل در فضای کاربر در داخل یک کاربرد صورت میگیرد‪.‬‬ ‫‪ ‬قسمت عمده زمانبندی و همگام سازی نخها در فضای کاربر صورت میگیرد‪.‬‬ ‫‪21‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫نمایی از نخهای سطح کاربر و هسته‬  ‫‪22‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫روابط بین نخها و فرایندها‬ ‫‪ ‬یک به یک‪ :‬هر نخ اجرا‪ ،‬یک فرایند یکتا با فضای آدرس ها و منابع خویش‬ ‫است‪.‬‬ ‫‪ ‬چند به یک‪ :‬یک فرایند‪ ،‬یک فضای آدرس و مالکیت پویای منابع را تعریف‬ ‫میکند و ممکن است نخهای متعدد داخل آن فرایند ایجاد گردد‪.‬‬ ‫‪ ‬یک به چند‪ :‬ممکن است یک نخ از محیط یک فرایند به محیط فرایند دیگر‬ ‫مهاجرت کند‪(.‬حرکت نخ بین سیستم های مجزا)‬ ‫‪ ‬چند به چند‪ :‬ترکیب خصوصیات موارد چند به یک و یک به چند‬  23 [email protected] ‫اقالم یک سیستم کامپیوتری‬ :‫ جریان دستورالعمل واحد داده های واحد‬  Single Instruction Single Data (SISD) :‫ جریان دستورالعمل واحد داده های چندگانه‬  Single Instruction Multiple Data (SIMD) :‫ جریان دستورالعمل چندگانه داده های واحد‬  Multiple Instruction Single Data (MISD) : ‫ جریان دستورالعمل چندگانه داده های چندگانه‬  Multiple Instruction Multiple Data (MIMD)  ‫‪24‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫‪ ‬جریان دستورالعمل واحد داده های واحد‪:‬‬ ‫‪ ‬یک پردازنده جریان واحدی از دستورالعمل را برای عمل روی داده هایی که در یک حافظه قرار دارند اجرا‬ ‫میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬جریان دستورالعمل واحد داده های چندگانه‪:‬‬ ‫‪ ‬دستورالعمل واحدی از پردازنده اجرای همزمان تعدادی از عناصر پردازشی را‪ ،‬بر اساس پیشروی یکسان‬ ‫کنترل میکند‪.‬هر یک از عناصر پردازشی‪ ،‬حافظه مربوط به خود را (برای داده هایش) دارد‪.‬بنابراین هر‬ ‫دستورالعمل توسط پردازنده های مختلف روی مجموعه های متفاوتی از داده ها اجرا میشود‪.‬‬ ‫‪ ‬جریان دستورالعمل چندگانه داده های واحد‪:‬‬ ‫‪ ‬دنباله ای از داده ها به مجموعه ای از پردازنده ها که هر یک دنباله متفاوتی از دستورالعمل ها را اجرا‬ ‫میکنند‪ ،‬فرستاده میشود‪.‬‬ ‫‪ ‬این ساختار هیچگاه پیاده سازی نشده است‪.‬‬ ‫‪ ‬جریان دستورالعمل چندگانه داده های چندگانه ‪:‬‬ ‫‪ ‬مجموعه ای از پردازنده ها به طور همزمان‪ ،‬دنباله های متفاوتی از دستورالعمل ها را روی مجموعه های‬ ‫متفاوتی از داده ها اجرا می کنند‪.‬‬  ‫‪25‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫استفاده از نخها در یک سیستم تک کاربره چند پردازشی‬ ‫‪ ‬چهار مثال مختلف ازبه کارگیری از نخها در یک سیستم تک کاربره چند‬ ‫پردازشی‪:‬‬ ‫‪ ‬کار پیش زمینه و پس زمینه‬ ‫‪ ‬پردازش محاسبات آسنکرون( ناهمگام)‬ ‫‪ ‬اجرای سریع‬ ‫‪ ‬ساختار مؤلفه ای و ماژوالر برنامه‬ ‫‪26‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫معماری پردازنده های موازی‬  ‫‪27‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫چند پردازشی متقارن‬ ‫‪ ‬هسته میتواند بر روی هر پردازنده ای اجرا شود‪.‬‬ ‫‪ ‬نوعا هر پردازنده از نخها و فرایندهای موجود برای خود زمانبندی میکند‪.‬‬ ‫‪ ‬هسته میتواند به صورت فرایند های چندگانه با نخهای چندگانه ساخته شود‪.‬‬ ‫‪ ‬طراحی ‪ SMP‬مشکل است و موضوعات سازمان فیزیکی‪ ،‬ساختارهای اتصال‬ ‫داخلی‪ ،‬ارتباط بین پردازنده ها و ‪...‬را در بر دارد‪.‬‬ 28 [email protected] ‫چند پردازشی متقارن‬ 29 [email protected] ‫‪30‬‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫مالحظات طراحی سیستم عامل های چندپردازنده ای‬ ‫‪ ‬نکات اصلی طراحی عبارتند از‪:‬‬ ‫‪ ‬همزمانی نخها یا فرایندها‬ ‫‪ ‬زمانبندی‬ ‫‪ ‬همگام سازی‬ ‫‪ ‬مدیریت حافظه‬ ‫‪ ‬قابلیت اطمینان وتحمل خرابی‬ 31 [email protected]