Procesory

Processory

• jednojádrové
• CPU má pouze jeden výpočetní prvek
• zpracovává jeden instrukční tok
• vícerojádrové
• CPU má více výpočetních prvků
• každé jádro má zpracovává alespoň jeden instrukční tok
• hypertreading
• multithreading

Přerušení

• přerušení je událost, která vyvolává přerušení běžícího programu
• přerušení může být vyvoláno
• vnější událostí
• instrukcí
• chybou
• přerušení přestane zpracovávat aktuální instrukční tok a přejde na obsluhu přerušení
• po obsloužení přerušení se vrátí k původnímu instrukčnímu toku

Program

• spustitelný binární program
• soubor instrukcí pro CPU
• data proměnných, informace o knihovnách, ...

Process

• instance spuštěného programu
• obsahuje všechny informace o běžícím programu
• alokováné prostředky

Vlákno

• thread
• jednotka zpracování (proud instrukcí)
• přiděleno jádru procesoru
• sdílí nějaké prostředky s ostatními vlákny z procesu

Informace o vláknech

• ID
• zásobník: lokální proměnné, návratová adresa, ...
• přepínání vláken: čítač instrukcí, registry, ...
• plánování: priorita, stav, ...

Vytvoření vlákna

• různé způsoby dle OS a programovacího jazyka
• většinou je potřeba předat funkci, která se má vykonávat
• dva módy:
• fork: vytvoří kopii procesu
• thread: vytvoří nové vlákno v rámci procesu

Ukončení procesu

• sám sebe: ukončí se sám ukončením v hlavním vlákně
• jádrem: ukončí se příkazem z jádra, např. chyba

API v C#

Thread

• třída, která reprezentuje vlákno
• obsahuje metody pro práci s vlákny
• při zapnutí určujeme funkci, která se má vykonávat
• System.Threading

Ukázka 1

Co a kdy se vypíše?

Ukázka 2

Co a kdy se vypíše?

Připojení k vláknu

• čekání na dokončení vlákna
• .Join()

Čekání ve vlákně

• čekání na nějakou událost, data, ...
• .Sleep()

Ukázka 3

Co a kdy se vypíše?

Přepínání vláken

• kontext = aktuální stav vlákna
• proces:
• uloží se kontext vlákna
• naplánuje se jiné vlákno
• obnoví se kontext jiného vlákna

Stavy vláken

• idle: čeká na přidělení procesoru
• ready: připraveno k běhu, čeká na přiřazení jádra
• running: běží
• blocked: čeká na nějakou událost
• zombie: ukončené vlákno, čeká na uvolnění zdrojů
• free: uvolněné vlákno

Stavy vláken

                    graph LR
                        A(idle) --> B(ready)
                        B --> C(running)
                        C --> B
                        C --> D(blocked)
                        D --> B
                        C --> E(zombie)
                        E --> F(free)
                

Přístup k prostředkům

Synchronizace vláken

Chyby (bez) synchronizace

• operace nejsou atomické
• vlákna se přepínají, běží paralelně
• vlákna si mohou přepsat data nebo pracovat s neplatnými daty

Kritická sekce

• část kódu, která pracuje s daty
• více vláken nemůže být v kritické sekci současně
• vlákna se musí synchronizovat
• více způsobů

Zámky

• mutex
• při vstupu do kritické sekce se zamkne (atomicky)
• při výstupu se odemkne (atomicky)
• pokud vlákno zjistí při zamykání, že je zamčeno, čeká až bude odemčeno
• ReleaseMutex a WaitOne

Ukázka zámků

Správné použití zámků

Další synchronizační prostředky

Práce

Zjistěte si informace o semafórech, monitor a bariérách.

Chyby

Časově závislé chyby

• vlákna zapisují do sdílených dat
• vlákna se přepínají
• chyba závislá na čase

Uváznutí (deadlock)

• vlákna čekají na událost
• událost může zavolat jen čekající vlákno

Uváznutí (deadlock)

Živé uváznutí (livelock)

• vlákna zpracovávají program
• vlákna ale nemohou dokončit program

Živé uváznutí (livelock)

Hladovění (starvation)

• vlákna čekají na událost
• událost ale trvá dlouho
• vlákna nemohou pokračovat

Hladovění (starvation)

Řešení uváznutí

• zamykání vždy ve stejném pořadí
• pečlivě navržené zamykání

Plánování vláken

• záležitost OS
• obyčejné přepínání
• přepínání na základě časovače, priority, dynamické priority, ...
• kooperativní plánování

Řešení úloh

Mnoho vláken

Producent a konzument

• něco přidává do fronty
• něco odebírá z fronty (zpracovává)
• (a obdoby)

Producent a konzument

Producent a konzument