• lab08-slides.pdf
• lab08-refcard.pdf

• TLPI - Chapter 29, Threads: Introduction
• TLPI - Chapter 30, Threads: Thread Synchronization
• TLPI - Chapter 31, Threads: Thread Safety and Per-Thread Storage

În laboratoarele anterioare a fost prezentat conceptul de proces, acesta fiind unitatea elementară de alocare a resurselor utilizatorilor. În cadrul acestui laborator este prezentat conceptul de fir de execuție (sau thread), acesta fiind unitatea elementară de planificare într-un sistem. Ca și procesele, firele de execuție reprezintă un mecanism prin care un calculator poate sǎ ruleze mai multe task-uri simultan.

Un fir de execuție există în cadrul unui proces, și reprezintă o unitate de execuție mai fină decât acesta. În momentul în care un proces este creat, în cadrul lui există un singur fir de execuție, care execută programul secvențial. Acest fir poate la rândul lui sǎ creeze alte fire de execuție; aceste fire vor rula porțiuni ale binarului asociat cu procesul curent, posibil aceleași cu firul inițial (care le-a creat).

• procesele nu partajează resurse între ele (decât dacă programatorul folosește un mecanism special pentru asta - shared memory spre exemplu), pe când firele de execuție partajează în mod implicit majoritatea resurselor unui proces. Modificarea unei astfel de resurse dintr-un fir este vizibilă instantaneu și din celelalte fire:
  • segmentele de memorie precum .heap, .data și .bss (deci și variabilele stocate în ele)
  • descriptorii de fișiere (așadar, închiderea unui fișier este vizibilă imediat pentru toate firele de execuție), indiferent de tipul fișierului:
    • sockeți
    • fișiere normale
    • pipe-uri
    • fișiere ce reprezintă dispozitive hardware (de ex. /dev/sda1).
• fiecare fir are un context de execuție propriu, format din:
  • stivă
  • set de registre (deci și un contor de program - registrul (E)IP)

Procesele sunt folosite de SO pentru a grupa și aloca resurse, iar firele de execuție pentru a planifica execuția de cod care accesează (în mod partajat) aceste resurse.

Deoarece toate firele de execuție ale unui proces folosesc spațiul de adrese al procesului de care aparțin, folosirea lor are o serie de avantaje:

• crearea/distrugerea unui fir de execuție durează mai puțin decât crearea/distrugerea unui proces
• durata context switch-ului între firele de execuție aceluiași proces este foarte mică, întrucât nu e necesar să se “comute” și spațiul de adrese (pentru mai multe informații, căutați „TLB flush”)
• comunicarea între firele de execuție are un overhead mai mic (realizată prin modificarea unor zone de memorie din spațiul comun de adrese)

Firele de execuție se pot dovedi utile în multe situații, de exemplu, pentru a îmbunătăți timpul de răspuns al aplicațiilor cu interfețe grafice (GUI), unde prelucrările CPU-intensive se fac de obicei într-un fir de execuție diferit de cel care afișează interfața.

De asemenea, ele simplifică structura unui program și conduc la utilizarea unui număr mai mic de resurse (pentru că nu mai este nevoie de diversele forme de IPC pentru a comunica).

Din punctul de vedere al implementării, există 3 categorii de fire de execuție:

• Kernel Level Threads (KLT)
• User Level Threads (ULT)
• Fire de execuție hibride

În ceea ce privește firele de execuție, POSIX nu specifică dacă acestea trebuie implementate în user-space sau kernel-space. Linux le implementează în kernel-space, dar nu diferențiază firele de execuție de procese decât prin faptul că firele de execuție partajează spațiul de adresă (atât firele de execuție, cât și procesele, sunt un caz particular de “task”). Pentru folosirea firelor de execuție în Python trebuie să includem modulul threading.

Modulul threading expune clasa Thread. Astfel, un fir de execuție este creat prin instantierea clasei:

import threading
threading.Thread(group=None, target=None, name=None, args=(), kwargs={}, *, daemon=None)

• group - se foloseste la extinderea clasei Thread; se recomanda pastrarea valoarei None;
• target - functia care va fi apelata la rularea threadului;
• name - numele threadului; daca acesta nu este specificat, se va genera un nume de formaThread-N, unde e un numar;
• args - lista de parametrii care va fi pasata functiei target; parametrii vor fi pasati in ordinea in care functia ii primeste;
• kwargs - dictionar care va stoca parametrii pasati functiei target, sub forma numele parametru-valoare;
• daemon - specifică dacă threadul este de tip daemon; dacă valoarea este None, proprietatea va fi moștenită de la threadul curent.

Noul fir creat poate fi lansat prin apelarea functiei start(). Acesta va executa codul specificat de funcția target căreia i se vor pasa argumentele din args sau kwargs.

Pentru a determina firului de execuție curent se poate folosi funcția current_thread:

import threading
threading.current_thread()

Firele de execuție se așteaptă folosind funcția join:

t = threading.Thread()
t.join(timeout=None)

Odata ce un thread a facut join pe un altul, acesta se va bloca pana threadul pe care s-a facut join isi va incheia executia. Daca threadul pe care s-a facut join va arunca o exceptie de tipul excepthook va fi aruncata in threadul care a facut join.

Un thread de tip daemon are drept scop procesarea unor operații fară a impacta firul de execuție principal.

Proprietatea principală a acestor threaduri este că programul principal își va încheia execuția dacă rămân doar threaduri de acest tip.

Un fir de execuție își încheie execuția în mod automat, la sfârșitul codului firului de execuție.

Pentru a schimba informații între programul principal si alte threaduri, vom folosi modulul queue. Folosind acest modul, putem implementa o coadă în care vom plasa mesajele din partea firelor de execuție.

Modululul suportă crearea a 6 tipuri diferite de cozi:

• Queue - coadă de tip FIFO, primul element inserat în coadă va fi primul extras;
• LifoQueue - ultimul element inserat în coadă va fi primul extras;
• PriorityQueue - Fiecare element are o prioritate, pe baza căreia se alege care element va fi cel extras;
• SimpleQueue - coadă de tip FIFO cu funcționalități limitate;
• Empty - se aruncă o excepție dacă se încearcă extragerea unui element când coada e goală;
• Full - se aruncă o excepție dacă se încearcă adăugarea unui element când coada e plină.

Pentru a crea o coadă, trebuie să instanțiem una din clasele expuse de modulul queue:

import queue
 
fifo_queue = queue.Queue()
lifo_queue = queue.LifoQueue()
priority_queue = queue.PriorityQueue()

Funcțiile put și put_nowait adaugă elemente în coadă.

q.put (item, block=True, timeout=None)
q.put_nowait (item)

Funcțiile get și get_nowait extrag elemente în coadă.

q.get (block=True, timeout=None)
q.get_nowait ()

Dacă coada este goală la apelarea uneia din cele două funcții, o excepție de tipul Empty este generată.

Mai jos vom crea un program care generează un thread ce primește valori de la programul principal și răspunde la aceastea.

import queue
import threading
 
def worker ():
    while True:
        item = q1.get()
        if item == 'Hello':
            print (item)
            q2.put ('SDE')
        elif item == 'Good':
            print (item)
            q2.put ('bye')
        else:
            break
 
q1 = queue.Queue()
q2 = queue.Queue()
 
t = threading.Thread (target=worker)
t.start ()
 
q1.put ('Hello')
print (q2.get ())
 
q1.put ('Good')
print (q2.get ())
 
q1.put ('exit')
 
t.join()

a. Creați un program care pornește 5 fire de execuție. Fiecare fir de execuție afișeaƶă numerele de la 0 la 5.

b. Afișați identificatorul fiecărui fir de execuție (hint: ident).

Creați un program care primește 3 parametrii din linia de comandă și pornește 3 fire de execuție. Fiecare fir de execuție va primi ca parametru de la programul principal unul din cele 3 numere si va afișa pe ecran par sau impar, în funcție de paritatea numărului.

În fișierul din directorul 3-numbers, porniți un thread care afișează numerele de la 0 la 5 la interval de o secundă.

Observați când procesul își termină execuția. Modificați programul principal pentru a își înceta execuția imediat după ce afișează cele două linii

main 1
main 2

În fișierul din directorul 4-alive, porniți câte un thread pentru fiecare funcție worker definită si așteptați doar după threadurile inca in executie (hint: is_alive).

Creați două threaduri, unul care să genereze numerele prime de la 0 la 50 și unul care să genereze numerele patrate perfecte de la 0 la 50. Programul principal va afișa numerele generate de cele două threaduri, dupa care isi va incheia executia.

Creați un program care primește comenzi bash de la tastatură și le execută intr-un thread.

Creati un program care foloseste 3 threaduri pentru a găsi maximul dintr-un șir de lungime 100000. Fiecare thread citeste valori din sir printr-o coada și pune intr-o altă coadă maximul. Folositi comanda queue.join pentru sincronizare.