POSIX threads (programmation concurrente) Les threads. Les fils d exécution : threads ou processus légers. Introduction

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1 POSIX threads (programmation concurrente) François Broquedis, Grégory Mounié, Matthieu Ospici, Vivien Quéma d après les œuvres de Jacques Mossière et Yves Denneulin Introduction Moniteur Exclusion mutuelle Conditions Sémaphore 7 novembre 2011 Divers Les fils d exécution : threads ou processus légers Les threads La création d un processus est une opération lourde Les processus sont isolés dans des espaces mémoire différents D où l idée de faire coexister plusieurs activités parallèles à l intérieur d un même espace mémoire Ces activités sont appelées des threads (fils d exécutions, processus légers) Ils partagent l espace mémoire de leur processus Ils ont en propre une pile et les registres Ils peuvent se communiquer des informations par l intermédiaire de la mémoire commune

2 Les threads POSIX : pthreads Attributs d un thread POSIX Fonctions création/destruction de threads synchronisation : moniteur (conditions, mutex) et sémaphore ordonnancement, priorités signaux Caractérisation de son état Pile Données privées Création d un thread POSIX pthread create Crée un thread avec les attributs attr, exécute la fonction start routine avec arg comme argument tid : identificateur du thread créé (équivalent au pid UNIX) join et synchronisation i n t p t h r e a d c r e a t e ( p t h r e a d t t i d, p t h r e a d a t t r a t t r, void ( s t a r t r o u t i n e ) ( void ), void arg ) ; Exemple simple (1) #i n c l u d e <p t h r e a d. h> void ALL IS OK = ( void ) L ; char mess [ 2 ] = { boys, g i r l s ; void w r i t e r ( void arg ) { i n t i, j ; f o r ( i =0; i <10; i ++) { p r i n t f ( Hi %s! ( I m %l x )\ n, arg, p t h r e a d s e l f ( ) ) ; j = ; while ( j ); return ALL IS OK ;

3 Exemple simple (2) Exemple simple (3) i n t main ( void ) { void s t a t u s ; p t h r e a d t w r i t e r 1 p i d, w r i t e r 2 p i d ; p t h r e a d c r e a t e (& w r i t e r 1 p i d, NULL, w r i t e r, ( void ) mess [ 1 ] ) ; p t h r e a d c r e a t e (& w r i t e r 2 p i d, NULL, w r i t e r, ( void ) mess [ 0 ] ) ; p t h r e a d j o i n ( w r i t e r 1 p i d, &s t a t u s ) ; i f ( s t a t u s == ALL IS OK ) p r i n t f ( Thread %l x completed ok. \ n, w r i t e r 1 p i d ) ; p t h r e a d j o i n ( w r i t e r 2 p i d, &s t a t u s ) ; i f ( s t a t u s == ALL IS OK ) p r i n t f ( Thread %l x completed ok. \ n, w r i t e r 2 p i d ) ; return 0 ; Exclusion mutuelle Les conditions Exemple p t h r e a d m u t e x t mon mutex ; p t h r e a d m u t e x i n i t (&mon mutex, NULL ) ; p t h r e a d m u t e x l o c k (&mon mutex ) ; <s e c t i o n c r i t i q u e > p t h r e a d m u t e x u n l o c k (&mon mutex ) ; // f i n du programme p t h r e a d m u t e x d e s t r o y (&mon mutex ) ; pthread cond t type condition pthread cond init initialisation d une condition pthread cond wait mise en attente sur une condition et sortie de mutex, reprise du mutex au réveil pthread cond signal réveil sur une condition Le signal est différent de celui de Hoare! Attention le thread signalé ne prend pas immédiatement le contrôle.

4 Réalisation d un moniteur Un mutex pour assurer l exclusion mutuelle Chaque procédure du moniteur est parenthésée par pthread mutex lock() et pthread mutex unlock() Chaque variable de condition est une variable pthread cond t Le thread réveillé n est pas activé immédiatement par pthread cond signal() Généralement il faut réévaluer la condition de blocage (en pratique, emploi d un while plutôt qu un if Le réveil en cascade ne fonctionne pas toujours! En général, il faut mettre pthread cond signal juste avant de terminer la procédure (juste avant unlock) Réalisation d un moniteur Un mutex pour assurer l exclusion mutuelle Chaque procédure du moniteur est parenthésée par pthread mutex lock() et pthread mutex unlock() Chaque variable de condition est une variable pthread cond t Le thread réveillé n est pas activé immédiatement par pthread cond signal() Généralement il faut réévaluer la condition de blocage (en pratique, emploi d un while plutôt qu un if Le réveil en cascade ne fonctionne pas toujours! En général, il faut mettre pthread cond signal juste avant de terminer la procédure (juste avant unlock) Généralités et points particuliers Ces conseils sont des généralités mais parfois ils ne correspondent pas à la synchronisation voulue! Un exemple : l allocateur(1/2) Un exemple : l allocateur (2/2) i n t n l i b r e = 123; p t h r e a d c o n d t c ; p t h r e a d m u t e x t mutex ; p t h r e a d c o n d i n i t (&c, NULL) ; void a l l o u e r ( i n t n ) { p t h r e a d m u t e x l o c k (&mutex ) ; while ( n > n l i b r e ) { p t h r e a d c o n d w a i t (&c, &mutex ) ; n l i b r e = n l i b r e n ; p t h r e a d m u t e x u n l o c k (&mutex ) ; void l i b e r e r ( i n t m) { p t h r e a d m u t e x l o c k (&mutex ) ; n l i b r e = n l i b r e + m ; p t h r e a d c o n d b r o a d c a s t (&c ) ; p t h r e a d m u t e x u n l o c k (&mutex ) ;

5 Attention au réveil en cascade!(1/2) Attention au réveil en cascade! (2/2) i n t n l i b r e = 123; p t h r e a d c o n d t c ; p t h r e a d m u t e x t mutex ; p t h r e a d c o n d i n i t (&c, NULL) ; void l i b e r e r ( i n t m) { p t h r e a d c o n d s i g n a l (&c ) ; //!!!!!! void a l l o u e r ( i n t n ) { p t h r e a d m u t e x l o c k (&mutex ) ; while ( n > n l i b r e ) { p t h r e a d c o n d w a i t (&c, &mutex ) ; p t h r e a d c o n d s i g n a l (&c ) ; // a t t e n t e a c t i v e! n l i b r e = n l i b r e n ; p t h r e a d m u t e x u n l o c k (&mutex ) ; Nommés ou anonymes Sémaphore Les sémaphores POSIX peuvent être nommés ou non nommés. Sémaphores anonymes Un sémaphore non nommé n est accessible que par sa position en mémoire. Il permet de synchroniser des threads, qui partagent par définition le même espace de mémoire ; et des processus ayant mis en place des segments de mémoire partagée. Un sémaphore nommé est utilisable pour synchroniser des processus connaissant son nom. persistant, indépendamment des processus sem t mon sem ; s e m i n i t (&mon sem, 0, 3 ) ; // anonyme, pour t h r e a d s, sem wait (&mon sem ) ; // P( ) sem post (&mon sem ) ; // V( ) s e m d e s t r o y (&mon sem ) ;

6 Autres détails et opérations utiles Compilation sleep(t) bloque le thread courant pendant t secondes pthread cancel(threadid) détruit le thread threadid pthread cond broadcast(&cond) réveille l ensemble des threads en attente de la condition Tests pthread mutex trylock(), sem trywait() Timer pthread cond timedwait(), sem timedwait() Entêtes des fonctions dans #include <pthread.h> Le code des fonctions est dans la bibliothèque libpthread (à l édition de lien : -lpthread, comme le -lm pour la bibliothèque mathématique libm. Les man sont vos amis Par exemple, sur l initialisation à la création des variables. Gdb et les threads Valgrind et les threads Il est possible d explorer l état d un processus composé de plusieurs threads info threads donne la liste des threads et leur numéros, thread 4 déplace le contexte du débogueur vers le thread numéro 4, where, up, down, print,... fonctionne pour le thread courant. En plus de vérifier vos accès mémoire, valgrind est aussi capable de vérifier vos synchronisations. Il y a même deux détecteurs différents. tool=helgrind : détecteur de condition de courses, lock et usage incorrecte de la bibliothèque Pthread tool=drd : idem et + (openmp,...) NB : il faut que les accès mémoires soient corrects!

7 Documentations Travail demandé Le kiosk Les pages de man Deux petits tutoriaux http ://queinnec.perso.enseeiht.fr/ens/threads/sujet-tp001.html http :// liberti/public/computing/ parallel/threads/threads-tutorial/tutorial.html Implanter le sujet présent sur le kiosk Création et initialisation des variables de synchronisation et des threads Faire correctement les synchronisations Le programme doit fournir une trace d exécution montrant le démarrage et la fin de chaque thread, les appels, les blocages et les réveils