Giáo trình Hệ điều hành - Chương 4: Luồng

Sau khi học xong chương này, người học nắm được những kiến thức sau:

• Các khái niệm gán với hệ điều hành đa luồng

• Các vấn đềliên quan với lập trình đa luồng

• Các ảnh hưởng của luồng tới việc thiết kếhệ điều hành

• Cách thức các hệ điều hành hiện đại hỗtrợluồng

pdf15 trang | Chuyên mục: Hệ Điều Hành | Chia sẻ: dkS00TYs | Ngày: 01/10/2014 | Lượt xem: 933 | Lượt tải: 1download
Tóm tắt nội dung Giáo trình Hệ điều hành - Chương 4: Luồng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
g Windows chạy như một quá trình riêng rẻ nơi mỗi quá trình có thể 
chứa một hay nhiều luồng. Windows 2000 dùng ánh xạ một-một nơi mà mỗi luồng 
cấp người dùng ánh xạ tới luồng nhân được liên kết tới.Tuy nhiên, Windows cũng 
cung cấp sự hỗ trợ cho một thư viện có cấu trúc (fiber library) cung cấp chức năng 
của mô hình nhiều-nhiều. Mỗi luồng thuộc về một quá trình có thể truy xuất một 
không gian địa chỉ ảo của quá trình. 
Những thành phần thông thường của một luồng gồm: 
• ID của luồng định danh duy nhất luồng 
• Tập thanh ghi biểu diễn trạng thái của bộ xử lý 
• Ngăn xếp người dùng khi luồng đang chạy ở chế độ người dùng. Tương tự, 
mỗi luồng cũng có một ngăn xếp nhân được dùng khi luồng đang chạy trong 
chế độ nhân 
• Một vùng lưu trữ riêng được dùng bởi nhiều thư viện thời gian thực và thự 
viện liên kết động (DLLs). 
Tập thanh ghi, ngăn xếp và vùng lưu trữ riêng được xem như ngữ cảnh của luồng và 
được đặc tả kiến trúc tới phần cứng mà hệ điều hành chạy trên đó. Cấu trúc dữ liệu 
chủ yếu của luồng gồm: 
• RTHREAD (executive thread block-khối luồng thực thi). 
• KTHREAD (kernel thread-khối luồng nhân) 
• TEB (thread environment block-khối môi trường luồng) 
Các thành phần chủ yếu của RTHREAD gồm một con trỏ chỉ tới quá trình nào 
luồng thuộc về và địa chỉ của thủ tục mà luồng bắt đầu điều khiển trong đó. 
ETHREAD cũng chứa một con trỏ chỉ tới KTHREAD tương ứng. 
Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 
91
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 
KTHREAD gồm thông tin định thời và đồng bộ hóa cho luồng. Ngoài ra, 
KTHREAD chứa ngăn xếp nhân (được dùng khi luồng đang chạy trong chế độ nhân) 
và con trỏ chỉ tới TEB. 
ETHREAD và KTHREAD tồn tại hoàn toàn ở không gian nhân; điều này có 
nghĩa chỉ nhân có thể truy xuất chúng. TEB là cấu trúc dữ liệu trong không gian người 
dùng được truy xuất khi luồng đang chạy ở chế độ người dùng. Giữa những trường 
khác nhau, TEB chứa ngăn xếp người dùng và một mảng cho dữ liệu đặc tả luồng (mà 
Windows gọi là lưu trữ cục bộ luồng) 
IV.9 Luồng Linux 
Nhân Linux được giới thiệu trong ấn bản 2.2. Linux cung cấp một lời gọi hệ 
thống fork với chức năng truyền thống là tạo bản sao một quá trình. Linux cũng cung 
cấp lời gọi hệ thống clone mà nó tương tự như tạo một luồng. clone có hành vi rất 
giống như fork, ngoại trừ thay vì tạo một bản sao của quá trình gọi, nó tạo một quá 
trình riêng chia sẻ không gian địa chỉ của quá trình gọi. Nó chấm dứt việc chia sẻ 
không gian địa chỉ của quá trình cha mà một tác vụ được nhân bản đối xử giống rất 
nhiều một luồng riêng rẻ. 
Chia sẻ không gian địa chỉ được cho phép vì việc biểu diễn của một quá trình 
trong nhân Linux. Một cấu trúc dữ liệu nhân duy nhất tồn tại cho mỗi quá trình trong 
hệ thống. Một cấu trúc dữ liệu nhân duy nhất tồn tại cho mỗi quá trình trong hệ thống. 
Tuy nhiên, tốt hơn lưu trữ dữ liệu cho mỗi quá trình trong cấu trúc dữ liệu là nó chứa 
các con trỏ chỉ tới các cấu trúc dữ liệu khác nơi dữ liệu này được được lưu. Thí dụ, 
cấu trúc dữ liệu trên quá trình chứa các con trỏ chỉ tới các cấu trúc dữ liệu khác hiện 
diện danh sách tập tin đang mở, thông tin quản lý tín hiệu, và bộ nhớ ảo. Khi fork 
được gọi, một quá trình mới được tạo cùng với một bản sao của tất cả cấu trúc dữ liệu 
của quá trình cha được liên kết tới. Khi lời gọi hệ thống clone được thực hiện, một 
quá trình mới chỉ tới cấu trúc dữ liệu của quá trình cha, do đó cho phép quá trình con 
chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên của quá trình cha. Một tập hợp cờ được truyền như một 
tham số tới lời gọi hệ thống clone. Tập hợp cờ này được dùng để hiển thị bao nhiêu 
quá trình cha được chia sẻ với quá trình con. Nếu không có cờ nào được đặt, không có 
chia sẻ xảy ra và clone hoạt động giống như fork. Nếu tất cả năm cờ được đặt, quá 
trình con chia sẻ mọi thứ với quá trình cha. Sự kết hợp khác của cờ cho phép các cấp 
độ chia sẻ khác nhau giữa hai mức độ cao nhất này. 
Điều thú vị là Linux không phân biệt giữa quá trình và luồng. Thật vậy, Linux 
thường sử dụng thuật ngữ tác vụ-hơn là quá trình hay luồng-khi tham chiếu tới dòng 
điều khiển trong chương trình. Ngoài quá trình được nhân bản, Linux không hỗ trợ đa 
luồng, cấu trúc dữ liệu riêng hay thủ tục nhân. Tuy nhiên, những cài đặt Pthreads là 
sẳn dùng cho đa luồng cấp người dùng. 
IV.10 Luồng Java 
Như chúng ta đã thấy, hỗ trợ cho luồng có thể được cung cấp tại cấp người dùng 
với một thư viện như Pthread. Hơn nữa, hầu hết hệ điều hành cung cấp sự hỗ trợ cho 
luồng tại cấp nhân. Java là một trong số nhỏ ngôn ngữ cung cấp sự hỗ trợ tại cấp ngôn 
ngữ cho việc tạo và quản lý luồng. Tuy nhiên, vì các luồng được quản lý bởi máy ảo 
Java, không bởi một thư viện cấp người dùng hay nhân, rất khó để phân cấp luồng 
Java như cấp độ người dùng hay cấp độ nhân. Trong phần này chúng ta trình bày các 
luồng Java như một thay đổi đối với mô hình người dùng nghiêm ngặt hay mô hình 
Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 
92
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 
cấp nhân. Phần sau chúng ta sẽ thảo luận một luồng Java có thể được ánh xạ tới luồng 
nhân bên dưới như thế nào. 
Tất cả chương trình tạo ít nhất một luồng điều khiển đơn. Thậm chí một chương 
trình Java chứa chỉ một phương thức main chạy như một luồng đơn trong máy ảo 
Java. Ngoài ra, Java cung cấp các lệnh cho phép người phát triển tạo và thao tác các 
luồng điều khiển bổ sung trong chương trình. 
IV.10.1 Tạo luồng 
Một cách để tạo một luồng rõ ràng là tạo một lớp mới được phát sinh từ lớp 
Thread và viết đè phương thức run của lớp Thread. Tiếp cận này được hiển thị trong 
hình sau, ấn bản Java của chương trình đa luồng xác định tổng các số nguyên không 
âm. 
Một đối tượng của lớp phát sinh sẽ chạy như một luồng điều khiển đơn trong máy ảo 
Java. Tuy nhiên, tạo một đối tượng được phát sinh từ lớp Thread không tạo một luồng 
mới, trái lại phương thức start mới thật sự tạo luồng mới. Gọi phương thức start cho 
đối tượng mới thực hiện hai thứ: 
1) Nó cấp phát bộ nhớ và khởi tạo một luồng mới trong máy ảo Java. 
2) Nó gọi phương thức run, thực hiện luồng thích hợp để được chạy bởi máy ảo 
Java. (Chú ý, không thể gọi phương thức run trực tiếp, gọi phương thức start 
sẽ gọi phương thức run) 
Class Summation extends Thread 
{ 
 public Summation (int n){ 
 upper = n; 
 } 
 public void run(){ 
 int sum = 0; 
 if (upper>0){ 
 for(int i = 1; i<= upper; i++){ 
 sum+=i; 
 } 
 System.out.println(“The sum of ”+upper+ “ is “ + sum); 
 } 
 private int upper; 
} 
public class ThreadTester 
{ 
 public static void main(String args[]){ 
 if(args.length>0){ 
 if(Integer.parseInt(args[0])<0) 
 System.err.println(args[0] + “ must be >= 0.”); 
 else{ 
 Summation thrd = new Summation 
(Integer.parseInt(args[0])); 
 Thrd.start(); 
 } 
Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 
93
Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0 
 } 
 Else 
 System.out.println(“Usage: summation < integer value”); 
 } 
} 
Hình 0-8- Chương trình Java để tính tổng số nguyên không âm 
 Khi chương trình tính tổng thực thi, hai luồng được tạo bởi JVM. Luồng đầu 
tiên là luồng được nối kết với ứng dụng-luồng này bắt đầu thực thi tại phương thức 
main. Luồng thứ hai là luồng Summation được tạo rõ ràng với phương thức start. 
Luồng Summation bắt đầu thực thi trong phương thức run của nó. Luồng kết thúc khi 
nó thoát khỏi phương thức run của nó. 
IV.10.2 JVM và hệ điều hành chủ 
Cài đặt điển hình của JVM ở trên đỉnh của hệ điều hành chủ (host operating 
system). Thiết lập này cho phép JVM che giấu chi tiết cài đặt của hệ điều hành bên 
dưới và cung cấp môi trường không đổi, trừu tượng cho phép chương trình Java hoạt 
động trên bất kỳ phần cứng nào hỗ trợ JVM. Đặc tả cho JVM không hiển thị các 
luồng Java được ánh xạ tới hệ điều hành bên dưới như thế nào để thay thế việc quên 
đi việc quyết định cài đặt cụ thể của JVM. Windows 95/98/NT và Windows 2000 
dùng mô hình một-một; do đó, mỗi luồng Java cho một JVM chạy trên các hệ điều 
hành này ánh xạ tới một luồng nhân. Solaris 2 khởi đầu cài đặt JVM dùng mô hình 
nhiều-một. Tuy nhiên, ấn bản 1.1 của JVM với Solaris 2.6 được cài đặt dùng mô hình 
nhiều-nhiều. 
IV.11 Tóm tắt 
Luồng là một dòng điều khiển trong phạm vi một quá trình. Quá trình đa luồng 
gồm nhiều dòng điều khiển khác nhau trong cùng không gian địa chỉ. Những lợi điểm 
của đa luồng gồm đáp ứng nhanh đối với người dùng, chia sẻ tài nguyên trong quá 
trình, tính kinh tế, và khả năng thuận lợi trong kiến trúc đa xử lý. 
Luồng cấp người dùng là các luồng được nhìn thấy bởi người lập trình và không 
được biết bởi nhân. Thư viện luồng trong không gian người dùng điển hình quản lý 
luồng cấp người dùng. Nhân của hệ điều hành hỗ trợ và quản lý các luồng cấp nhân. 
Thông thường, luồng cấp người dùng nhanh hơn luồng cấp nhân trong việc tạo và 
quản lý. Có ba loại mô hình khác nhau liên quan đến luồng cấp người dùng và luồng 
cấp nhân. Mô hình nhiều-một ánh xạ nhiều luồng người dùng tới một luồng nhân. Mô 
hình một-một ánh xạ mỗi luồng người dùng tới một luồng nhân tương ứng. Mô hình 
nhiều-nhiều đa hợp nhiều luồng người dùng tới một số lượng nhỏ hơn hay bằng luồng 
nhân. 
Những chương trình đa luồng giới thiệu nhiều thử thách cho việc lập trình, gồm 
ngữ nghĩa của lời gọi hệ thống fork và exec. Những vấn đề khác gồm huỷ bỏ luồng, 
quản lý tín hiệu, và dữ liệu đặc tả luồng. Nhiều hệ điều hành hiện đại cung cấp nhân 
hỗ trợ luồng như Windows NT, Windows 2000, Solaris 2 và Linux. Pthread API cung 
cấp tập hợp các hàm để tạo và quản lý luồng tại cấp người dùng. Java cung cấp một 
API tương tự cho việc hỗ trợ luồng. Tuy nhiên, vì các luồng Java được quản lý bởi 
JVM và không phải thư viện luồng cấp người dùng hay nhân, chúng không rơi vào 
loại luồng người dùng hay nhân. 
Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005 Trang 
94

File đính kèm:

  • pdfchuong4aluong.pdf