3. Hilos.
Conceptos de hilos. http://sistemaoperativo.wikispaces.com/Hilos 3.1.1 Multihilo. 3.1.2 Funcionalidad de los hilos. 3.1.3 Estado de hilos. 3.1.4 Paralelismo. 3.1.5 Hilos a nivel de usuario y de núcleo. 3.1.6 Otras estructuras. 3.2 Multiproceso Simétrico. Arquitectura SMP. 3.2.1 Arquitectura 3.2.2 Organización SMP. 3.2.3 Consideraciones. 3.1
http://richard06.freeiz.com/?p=1
3.3 3.4 3.5 3.6
Micronúcleo. Hilos y Multiproceso Simétrico (SMP) en Linux. Hilos y SMP en UNIX. Hilos y SMP en Windows.
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Conceptos de hilos. Un hilo en un sistema operativo es la característica que permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez concurrentemente, los distintos hilos de ejecución comparten una serie de recursos tales como el espacio de memoria, los archivos abiertos, situación de autentificación. Esta acción permite simplificar el diseño de una aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente. Los hilos son básicamente una tarea que puede ser ejecutada en paralelo con otra tarea; teniendo en cuenta lo que es propio de cada hilo es el contador de programa, la pila de ejecución y el estado de la CPU (incluyendo el valor de los registros).
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Funcionalidad de los hilos Al igual que los procesos, los hilos poseen un estado de ejecución y pueden sincronizarse entre ellos para evitar problemas de compartimiento de recursos. Generalmente, cada hilo tiene una tarea específica y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador. Algunos lenguajes de programación tienen caracterí sticas de diseño expresamente creadas para permitir a los programadores lidiar con hilos de ejecución (como Java o Delphi). Otros (la mayoría) desconocen la existencia de hilos de ejecución y éstos deben ser creados mediante llamadas de biblioteca especiales que dependen del sistema operativo en el que estos lenguajes están siendo utilizados (como es el caso del C y del C++)
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Multihilo Un programa Multihilo contiene dos o más partes que se pueden ejecutar de manera concurrente o simultánea. A cada una de esas partes se les denomina hilo y cada uno de ellos define un camino de ejecución independiente. Se puede ver a la programación Multihilo como una forma especializada de multitarea. Originalmente, la programación con hilos fue explotada con el fin de lograr que algunos programas resultaran más sencillos de escribir: si un programa puede dividirse en varias tareas, suele ser más fácil programar el algoritmo como tareas o hilos separados. Los programas que caen dentro de esta categoría, típicamente son especializados y se encargan de múltiples tareas independientes. Frecuentemente, estos programas fueron escritos como procesos separados que utilizaban herramientas de comunicación dependientes del sistema operativo, tales como señales y espacios de memoria compartida para hacer la comunicación entre los procesos, incrementando de esta forma la complejidad de los sistemas.
La popularidad de los hilos se incrementó cuando las interfaces gráficas se convirtieron en un estándar para computadoras de escritorio, debido a que el sistema de hilos permitió al usuario percibir un mejor desempeño de los programas. La introducción de hilos en estas plataformas no hizo a los programas más rápidos, pero creó en el usuario una ilusión de desempeño más rápido, quien ahora tenía un hilo dedicado para el servicio de entrada o para la salida en pantalla.
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Estado de hilos. Los principales estados de los hilos son: Ejecución, Listo y Bloqueado. No tiene sentido asociar estados de suspensión de hilos ya que es un concepto de proceso. En todo caso, si un proceso está expulsado de la memoria principal (RAM), todos sus hilos deberán estarlo ya que todos comparten el espacio de direcciones del proceso.
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Paralelismo Las tareas son los elementos fundamentales de la programación en paralelo, por lo tanto el paralelismo de tareas es la ejecución de tareas a través de varios procesadores. El propósito principal del paralelismo es maximizar la utilización del procesador y desde luego mejorar el desempeño de la aplicación. A medida que aumenta la cantidad de procesadores, una aplicación podrá escalarse ya que una tarea podrá ejecutarse en más procesadores. Las tareas paralelas tienen unas entradas, que típicamente trabajan con una colección de datos relacionados
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Hilos a nivel de usuario y de núcleo Hay dos grandes categorías en la implementación de hilos:
Hilos a nivel de usuario (UTL) En una aplicación ULT pura, todo el trabajo de gestión de hilos lo realiza la aplicación y el núcleo o kernel no es consciente de la existencia de hilos. Es posible programar una aplicación como Multihilo mediante una biblioteca de hilos. La misma contiene el código para crear y destruir hilos, intercambiar mensajes y datos entre hilos, para planificar la ejecución de hilos y para salvar y restaurar el contexto de los hilos. Todas las operaciones descritas se llevan a cabo en el espacio de usuario de un mismo proceso. El kernel continua planificando el proceso como una unidad y asignándole un único estado (Listo, bloqueado, etc.).
Ventajas de los ULT El intercambio de los hilos no necesita los privilegios del modo kernel, porque todas las estructuras de datos están en el espacio de direcciones de usuario de un mismo proceso. Por lo tanto, el proceso no debe cambiar a modo kernel para gestionar hilos. Se evita la sobrecarga de cambio de modo y con esto el sobrecoste u overhead. Se puede realizar una planificación específica. Dependiendo de qué aplicación sea, se puede decidir por una u otra planificación según sus ventajas. Los ULT pueden ejecutar en cualquier sistema operativo. La biblioteca de hilos es un conjunto compartido. Desventajas de los ULT En la mayoría de los sistemas operativos las llamadas al sistema (System calls) son bloqueantes. Cuando un hilo realiza una llamada al sistema, se bloquea el mismo y también el resto de los hilos del proceso. En una estrategia ULT pura, una aplicación Multihilo no puede aprovechar las ventajas de los multiprocesadores. El núcleo asigna un solo proceso a un solo procesador, ya que como el núcleo no interviene, ve al conjunto de hilos como un solo proceso. Una solución al bloqueo mediante a llamadas al sistema es usando la técnica de jacketing, que es convertir una llam ada bloqueante en no bloqueante.
Hilos a nivel de Kernel. En una aplicación KLT pura, todo el trabajo de gestión de hilos lo realiza el kernel. En el área de la aplicación no hay código de gestión de hilos, únicamente un API (interfaz de programas de aplicación) para la gestión de hilos en el núcleo. Windows 2000, Linux y OS/2 utilizan este método. Linux utiliza un método muy particular en que no hace diferencia entre procesos e hilos, para Linux si varios procesos creados con la llamada al sistema "clone" comparten el mismo espacio de direcciones virtuales el sistema operativo las tratas como hilos y lógicamente son manejados por el kernel. Ejemplo: Es tener un hilo atento a la interfaz Gráfica (iconos, botones, ventanas), mientras otro hilo hace una larga operación internamente. De esta manera el programa responde de manera más ágil a la interacción con el usuario. También pueden ser utilizados por una aplicación servidora para dar servicio a múltiples clientes. Un ejemplo de aplicación que podría hacer uso de hilos es un servidor, como puede ser un servidor de archivos de una red de área local. Cada vez que llegue una solicitud de un nuevo archivo, se puede generar un nuevo hilo para el programa de gestión de archivos. Puesto que el servidor debe manejar muchas
solicitudes, se crearan y destruirán muchos hilos en un corto periodo de tiempo. Si el servidor es un multiprocesador, se pueden ejecutar varios hilos de una misma tarea simultáneamente y en diferentes procesadores. Los hilos son también útiles en los monoprocesadores para simplificar la estructura de los programas que lleven a cabo diversas funciones.
Micronúcleo
Es un tipo de núcleo de un sistema operativo que provee un conjunto de primitivas o llamadas al sistema mínimas, para implementar servicios básicos como espacios de direcciones, comunicación entre procesos y planificación básica. El enfoque micronúcleo consiste en definir una abstracción muy simple sobre el hardware, con un conjunto de primitivas o llamadas al sistema que implementan servicios del sistema operativo mínimos, como la gestión de hilos, el espacio de direccionamiento y la comunicación entre procesos. El objetivo principal es la separación de la implementación de los servicios básicos y de la política de funcionamiento del sistema. Las principales ventajas de su utilización son la reducción de la complejidad, la descentralización de los fallos y la facilitación para crear y depurar controladores de dispositivos. Por otro lado, sus principal dificultad es la complejidad en la sincronización de todos los módulos que componen el micronúcleo y su acceso a la memoria. Sistemas operativos con micronúcleo ·
AIX
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Symbian
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L4
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Amoeba
Hilos y SMP en Windows Un hilo es una característica que permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez (concurrentemente). Los distintos hilos de ejecución comparten una serie d e recursos tales como el espacio de memoria, los archivos abiertos, situación de autenticación, etc. Esta técnica permite simplificar el diseño de una aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente.
Un proceso de W2K debe tener por lo menos un hilo para ejecutar. Dicho hilo puede crear entonces otros hilos. En un sistema multiprocesador pueden ejecutarse en paralelo varios hilos de un mismo proceso. Un hilo de W2k puede estar en uno de los siguientes estados:
Listo Standbyn Ejecución Espera Transición Terminado
Los hilos de un mismo proceso pueden intercambiar información a través de un espacio de direcciones común y tienen acceso a los recursos compartidos del proceso. Los hilos de diferentes procesos pueden intercambiar información a través de la memoria compartida que se ha establecido entre los dos procesos. SMP en Windows
Un sistema operativo SMP gestiona el procesador y el resto de los recursos del computador para que el usuario pueda ver el sistema como si fuera un sistema monoprocesador multiprogramado. Un usuario puede construir aplicaciones que usen múltiples procesos o múltiples hilos dentro de procesos sin tener en cuenta si dispone de un solo procesador o de muchos. De este modo, un sistema operativo debe ofrecer toda la funcionalidad de un sistema multiprogramado,con las características adicionales para trabajar con múltiples procesadores. Resulta útil ver donde encajan las arquitecturas Smp dentro de la clasificación de los procesadores paralelos. La forma más común de clasificar estos sistemas, es la taxonomia que destaca los sistemas de procesamiento en paralelo introducidos por Flyn, estos son:
Flujo de instrucción simple / dato simple (SISD) Flujo de instrucción simple / datos múltiples (SIMD) Flujo de instrucción múltiple / dato simple (MISD Flujo de instrucción múltiple / datos múltiples (MIMD)
Hilos en Linux
Los hilos o threads son rutinas de codigo que corren de manera concurrente dentro de un mismo proceso.
Linux no considera los hilos como tales, se refiere a ellos como tareas más que como hilos. En Linux se crea un nuevo proceso copiando los atributos del proceso actual. Un nuevo proceso puede ser clonado para que comparta los recursos del actual, tales como archivos, gestores de señales o la memoria virtual.
Spm en Linux
Soporte para multiprocesador, lo que llama multiprocesamiento simétrico (SMP). Este concepto suele englobar máquinas que van desde el caso simple de 2 hasta 64 CPU. Linux puede usar múltiples procesadores, donde cada procesador puede manejar una o más tareas. Pero hay algunas partes del kernel que disminuyen el rendimiento, ya que están pensadas para una única CPU y obligan a parar el sistema entero. SMP es una de las técnicas más estudiadas en la comunidad del kernel de Linux, y se esperan mejoras importantes para las nuevas versiones, ya que se depende en gran medida del rendimiento SMP para la adopción de Linux en los sistemas empresariales. Hilos en Unix
Solaris hace uso de cuatros conceptos indepen dientes relativos a hilos:
Proceso: este es el proceso UNIX convencional e incluye el espacio de direcciones de usuarios, la pila, y el bloque de control de procesos. Hilos a nivel de usuario: implementados en el espacio de direcciones de un proceso por medio de una biblioteca de hilos, esos son invisibles para el sistema operativo. Los hilos a nivel de usuario (ULT) son la interfaz para el paralelismo de aplicaciones. Procesos ligeros: un proceso ligero (LWP) puede verse como un a correspondencia entre ULT e hilos del núcleo. Cada LWP soporta uno o más ULT y los hace corresponder con un hilo del núcleo. El núcleo planifica los LWP independientemente y puede ejecutar en paralelo sobre multiprocesadores. Hilos del núcleo: son las entidades básicas de planificación y expedición en cada uno de los procesadores del sistema.
Un LWP es visible para la aplicación dentro del proceso. De este modo, las estructuras de datos LWP existen dentro de los respectivos espacios de direcciones de los procesos. Al mismo tiempo, cada LWP esta confinado a un único hilo del núcleo y la estructura de datos de este hilo del núcleo se mantiene dentro del espacio de direcciones del núcleo. SMP en Unix
Solaris implementa un soporte de hilo multinivel poco habitual, diseñado para proporcionar considerable flexibilidad para sacar provecho de los recursos del procesador
