Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Luồng

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

CHƯƠNG IV - LUỒNG

IV.1Mục đích

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 đề liên quan với lập trình đa luồng

• Các ảnh hưởng của luồng tới việc thiết kế hệ điều hành

• Cách thức các hệ điều hành hiện đại hỗ trợ luồng

IV.2Giới thiệu

Mô hình thực thi trong chương 3 giả sử rằng một quá trình là một chương trình

đang thực thi với một luồng điều khiển. Nhiều hệ điều hành hiện đại hiện nay cung

cấp các đặc điểm cho một quá trình chứa nhiều luồng (thread) điều khiển. Trong

chương này giới thiệu các khái niệm liên quan với các hệ thống máy tính đa luồng,

gồm thảo luận Pthread API và luồng Java.

Chúng ta sẽ xem xét nhiều vấn đề có liên quan tới lập trình đa luồng và nó ảnh

hưởng như thế nào đến thiết kế của hệ điều hành. Cuối cùng, chúng ta sẽ khám phá

nhiều hệ điều hành hiện đại hỗ trợ luồng tại cấp độ nhân như thế nào.

IV.3Tổng quan

Một luồng thường được gọi là quá trình nhẹ (lightweight proces-LWP), là một đơn

vị cơ bản của việc sử dụng CPU; nó hình thành gồm: một định danh luồng (thread

ID), một bộ đếm chương trình, tập thanh ghi và ngăn xếp. Nó chia sẻ với các luồng

khác thuộc cùng một quá trình phần mã, phần dữ liệu, và tài nguyên hệ điều hành như

các tập tin đang mở và các tín hiệu. Một quá trình truyền thống (hay quá trình nặng)

có một luồng điều khiển đơn. Nếu quá trình có nhiều luồng điều khiển, nó có thể thực

hiện nhiều hơn một tác vụ tại một thời điểm. Hình VI.1 hiển thị sự khác nhau giữa

quá trình đơn luồng và quá trình đa luồng.

IV.3.1

Sự cơ động

Nhiều gói phần mềm chạy trên các máy để bàn PC là đa luồng. Điển hình, một ứng

dụng được cài đặt như một quá trình riêng rẻ với nhiều luồng điều khiển. Một trình

duyệt Web có thể có một luồng hiển thị hình ảnh, văn bản trong khi một luồng khác

lấy dữ liệu từ mạng. Một trình soạn thảo văn bản có thể có một luồng hiển thị đồ họa,

luồng thứ hai đọc sự bấm phím trên bàn phím từ người dùng, một luồng thứ ba thực

hiện việc kiểm tra chính tả và từ vựng chạy trong chế độ nền.

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 80

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Hình 0-1 Quá trình đơn và đa luồng

Trong những trường hợp cụ thể một ứng dụng đơn có thể được yêu cầu thực

hiện nhiều tác vụ đơn. Thí dụ, một trình phục vụ web chấp nhận các yêu cầu khách

hàng như trang web, hình ảnh, âm thanh, ..Một trình phục vụ web có thể có nhiều

(hàng trăm) khách hàng truy xuất đồng thời nó. Nếu trình phục vụ web chạy như một

quá trình đơn luồng truyền thống thì nó sẽ có thể chỉ phục vụ một khách hàng tại cùng

thời điểm. Lượng thời gian mà khách hàng phải chờ yêu cầu của nó được phục vụ là

rất lớn.

Một giải pháp là có một trình phục vụ chạy như một quá trình đơn chấp nhận

các yêu cầu. Khi trình phục vụ nhận một yêu cầu, nó sẽ tạo một quá trình riêng để

phục vụ yêu cầu đó. Thật vậy, phương pháp tạo ra quá trình này là cách sử dụng thông

thường trước khi luồng trở nên phổ biến. Tạo ra quá trình có ảnh hưởng rất lớn như

được trình bày ở chương trước. Nếu quá trình mới sẽ thực hiện cùng tác vụ như quá

trình đã có thì tại sao lại gánh chịu tất cả chi phí đó? Thường sẽ hiệu quả hơn cho một

quá trình chứa nhiều luồng phục vụ cùng một mục đích. Tiếp cận này sẽ đa luồng quá

trình trình phục vụ web. Trình phục vụ sẽ tạo một luồng riêng lắng nghe các yêu cầu

người dùng; khi yêu cầu được thực hiện nó không tạo ra quá trình khác mà sẽ tạo một

luồng khác phục vụ yêu cầu.

Luồng cũng đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống lời gọi thủ tục xa

(remote process call-RPC). Như đã trình bày ở chương trước, RPCs cho phép giao

tiếp liên quá trình bằng cách cung cấp cơ chế giao tiếp tương tự như các lời gọi hàm

hay thủ tục thông thường. Điển hình, các trình phục vụ RPCs là đa luồng. Khi một

trình phục vụ nhận một thông điệp, nó phục vụ thông điệp dùng một luồng riêng. Điều

này cho phép phục vụ nhiều yêu cầu đồng hành.

IV.3.2

Thuận lợi

Những thuận lợi của lập trình đa luồng có thể được chia làm bốn loại:

• Sự đáp ứng: đa luồng một ứng dụng giao tiếp cho phép một chương trình tiếp

tục chạy thậm chí nếu một phần của nó bị khóa hay đang thực hiện một thao

tác dài, do đó gia tăng sự đáp ứng đối với người dùng. Thí dụ, một trình duyệt

web vẫn có thể đáp ứng người dùng bằng một luồng trong khi một ảnh đang

được nạp bằng một luồng khác.

• Chia sẻ tài nguyên: Mặc định, các luồng chia sẻ bộ nhớ và các tài nguyên của

các quá trình mà chúng thuộc về. Thuận lợi của việc chia sẽ mã là nó cho phép

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 81

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

một ứng dụng có nhiều hoạt động của các luồng khác nhau nằm trong cùng

không gian địa chỉ.

• Kinh tế: cấp phát bộ nhớ và các tài nguyên cho việc tạo các quá trình là rất

đắt. Vì các luồng chia sẻ tài nguyên của quá trình mà chúng thuộc về nên nó

kinh tế hơn để tạo và chuyển ngữ cảnh giữa các luồng. Khó để đánh giá theo

kinh nghiệm sự khác biệt chi phí cho việc tạo và duy trì một quá trình hơn một

luồng, nhưng thường nó sẽ mất nhiều thời gian để tạo và quản lý một quá trình

hơn một luồng. Trong Solaris 2, tạo một quá trình chậm hơn khoảng 30 lần tạo

một luồng và chuyển đổi ngữ cảnh chậm hơn 5 lần.

• Sử dụng kiến trúc đa xử lý: các lợi điểm của đa luồng có thể phát huy trong

kiến trúc đa xử lý, ở đó mỗi luồng thực thi song song trên một bộ xử lý khác

nhau. Một quá trình đơn luồng chỉ có thể chạy trên một CPU. Đa luồng trên

một máy nhiều CPU gia tăng tính đồng hành. Trong kiến trúc đơn xử lý, CPU

thường chuyển đổi qua lại giữa mỗi luồng quá nhanh để tạo ra hình ảnh của sự

song song nhưng trong thực tế chỉ một luồng đang chạy tại một thời điểm.

IV.3.3

Luồng người dùng và luồng nhân

Chúng ta vừa mới thảo luận là xem xét luồng như một chiều hướng chung. Tuy

nhiên, hỗ trợ luồng được cung cấp hoặc ở cấp người dùng, cho các luồng người dùng

hoặc ở cấp nhân, cho các luồng nhân.

• Luồng người dùng: được hỗ trợ dưới nhân và được cài đặt bởi thư viện luồng

tại cấp người dùng. Thư viện cung cấp hỗ trợ cho việc tạo luồng, lập thời biểu,

và quản lý mà không có sự hỗ trợ từ nhân. Vì nhân không biết các luồng cấp

người dùng, tất cả việc tạo luồng và lập thời biểu được thực hiện trong không

gian người dùng mà không cần sự can thiệp của nhân. Do đó, các luồng cấp

người dùng thường tạo và quản lý nhanh, tuy nhiên chúng cũng có những trở

ngại. Thí dụ, nếu nhân là đơn luồng thì bất cứ luồng cấp người dùng thực hiện

một lời gọi hệ thống nghẽn sẽ làm cho toàn bộ quá trình bị nghẽn, thậm chí

nếu các luồng khác sẳn dùng để chạy trong ứng dụng. Các thư viện luồng

người dùng gồm các luồng POSIX Pthreads, Mach C-threads và Solaris 2 UI-

threads.

• Luồng nhân: được hỗ trợ trực tiếp bởi hệ điều hành. Nhân thực hiện việc tạo

luồng, lập thời biểu, và quản lý không gian nhân. Vì quản lý luồng được thực

hiện bởi hệ điều hành, luồng nhân thường tạo và quản lý chậm hơn luồng

người dùng. Tuy nhiên, vì nhân được quản lý các luồng nếu một luồng thực

hiện lời gọi hệ thống nghẽn, nhân có thể lập thời biểu một luồng khác trong

ứng dụng thực thi. Trong môi trường đa xử lý, nhân có thể lập thời biểu luồng

trên một bộ xử lý khác. Hầu hết các hệ điều hành hiện nay như Windows NT,

Windows 2000, Solaris 2, BeOS và Tru64 UNIX (trước Digital UNIX)-hỗ trợ

các luồng nhân.

IV.4Mô hình đa luồng

Nhiều hệ thống cung cấp sự hỗ trợ cả hai luồng nhân và luồng người dùng nên

tạo ra nhiều mô hình đa luồng khác nhau. Chúng ta sẽ xem xét ba loại cài đặt luồng

thông thường

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 82

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

IV.4.1

Mô hình nhiều-một

Mô hình nhiều-một (như hình IV.2) ánh xạ nhiều luồng cấp người dùng tới

một luồng cấp nhân. Quản lý luồng được thực hiện trong không gian người dùng vì

thế nó hiệu quả nhưng toàn bộ quá trình sẽ bị khóa nếu một luồng thực hiện lời gọi hệ

thống khóa. Vì chỉ một luồng có thể truy xuất nhân tại một thời điểm nên nhiều luồng

không thể chạy song song trên nhiều bộ xử lý. Green threads-một thư viện luồng được

cài đặt trên các hệ điều hành không hỗ trợ luồng nhân dùng mô hình nhiều-một.

Hình 0-2-Mô hình nhiều-một

IV.4.2

Mô hình một-một

Mô hình một-một (hình IV.3) ánh xạ mỗi luồng người dùng tới một luồng

nhân. Nó cung cấp khả năng đồng hành tốt hơn mô hình nhiều-một bằng cách cho một

luồng khác chạy khi một luồng thực hiện lời gọi hệ thống nghẽn; nó cũng cho phép

nhiều luồng chạy song song trên các bộ xử lý khác nhau. Chỉ có một trở ngại trong

mô hình này là tạo luồng người dùng yêu cầu tạo một luồng nhân tương ứng. Vì chi

phí cho việc tạo luồng nhân có thể đè nặng lên năng lực thực hiện của ứng dụng, các

cài đặt cho mô hình này giới hạn số luồng được hỗ trợ bởi hệ thống. Windows NT,

Windows 2000 và OS/2 cài đặt mô hình một-một này.

Hình 0-3-Mô hình một-một

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 83

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

IV.4.3

Mô hình nhiều-nhiều

Mô hình nhiều-nhiều (như hình VI.4) đa hợp nhiều luồng cấp người dùng tới

số lượng nhỏ hơn hay bằng các luồng nhân. Số lượng các luồng nhân có thể được xác

định hoặc một ứng dụng cụ thể hay một máy cụ thể (một ứng dụng có thể được cấp

nhiều luồng nhân trên một bộ đa xử lý hơn trên một bộ đơn xử lý). Trong khi mô hình

nhiều-một cho phép người phát triển tạo nhiều luồng người dùng như họ muốn, thì

đồng hành thật sự là không đạt được vì nhân có thể lập thời biểu chỉ một luồng tại một

thời điểm. Mô hình một-một cho phép đồng hành tốt hơn nhưng người phát triển phải

cẩn thận không tạo ra quá nhiều luồng trong một ứng dụng. Mô hình nhiều-nhiều gặp

phải một trong hai vấn đề khiếm khuyết: người phát triển có thể tạo nhiều luồng

người dùng khi cần thiết và các luồng nhân tương ứng có thể chạy song song trên một

bộ đa xử lý. Khi một luồng thực hiện một lời gọi hệ thống khóa, nhân có thể lập thời

biểu một luồng khác thực thi. Solaris 2, IRIX, HP-UX, và Tru64 UNIX hỗ trợ mô

hình này.

Hình 0-4-Mô hình nhiều-nhiều

IV.5Cấp phát luồng

Trong phần này chúng ta thảo luận các cấp phát xem xét với các chương trình

đa luồng.

IV.5.1

Lời gọi hệ thống fork và exec

Trong chương trước chúng ta mô tả lời gọi hệ thống fork được dùng để tạo

một quá trình bản sao riêng như thế nào. Trong một chương trình đa luồng, ngữ nghĩa

của các lời gọi hệ thống fork và exec thay đổi. Nếu một luồng trong lời gọi chương

trình fork thì quá trình mới sao chép lại quá trình tất cả luồng hay là một quá trình đơn

luồng mới? Một số hệ thống UNIX chọn hai ấn bản fork, một sao chép lại tất cả luồng

và một sao chép lại chỉ luồng được nạp lên lời gọi hệ thống fork. Lời gọi hệ thống

exec điển hình thực hiện công việc trong cùng một cách như được mô tả trong chương

trước. Nghĩa là, nếu một luồng nạp lời gọi hệ thống exec, chương trình được xác định

trong tham số exec sẽ thay thế toàn bộ quá trình-chứa tất cả luồng và các quá trình tải

nhẹ.

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 84

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Việc sử dụng hai ấn bản fork phụ thuộc vào ứng dụng. Nếu exec bị hủy tức thì

sau khi phân nhánh (forking) thì sự sao chép lại tất cả luồng là không cần thiết khi

chương trình được xác định trong các tham số exec sẽ thay thế quá trình. Trong

trường hợp này, việc sao chép lại chỉ gọi luồng hợp lý. Tuy nhiên, nếu quá trình riêng

biệt này không gọi exec sau khi phân nhánh thì quá trình riêng biệt này nên sao chép

lại tất cả luồng.

IV.5.2

Sự hủy bỏ luồng

Hủy một luồng là một tác vụ kết thúc một luồng trước khi nó hoàn thành.Thí

dụ, nếu nhiều luồng đang tìm kiếm đồng thời thông qua một cơ sở dữ liệu và một

luồng trả về kết quả, các luồng còn lại có thể bị hủy. Một trường hợp khác có thể xảy

ra khi người dùng nhấn một nút trên trình duyệt web để dừng trang web đang được

tải. Thường một trang web được tải trong một luồng riêng. Khi người dùng nhấn nút

stop, luồng đang nạp trang bị hủy bỏ.

Một luồng bị hủy thường được xem như luồng đích. Sự hủy bỏ một luồng đích có

thể xảy ra hai viễn cảnh khác nhau:

• Hủy bất đồng bộ: một luồng lập tức kết thúc luồng đích

• Hủy trì hoãn: luồng đích có thể kiểm tra định kỳ nếu nó sắp kết thúc, cho

phép luồng đích một cơ hội tự kết thúc trong một cách có thứ tự.

Sự khó khăn của việc hủy này xảy ra trong những trường hợp khi tài nguyên

được cấp phát tới một luồng bị hủy hay một luồng bị hủy trong khi việc cập nhật dữ

liệu xảy ra giữa chừng, nó đang chia sẻ với các luồng khác. Điều này trở nên đặc biệt

khó khăn với sự hủy bất đồng bộ. Hệ điều hành thường đòi lại tài nguyên hệ thống từ

luồng bị hủy nhưng thường nó sẽ không đòi lại tất cả tài nguyên. Do đó, việc hủy một

luồng bất đồng bộ có thể không giải phóng hết tài nguyên hệ thống cần thiết.

Một chọn lựa khác, sự hủy trì hoãn thực hiện bằng một luồng báo hiệu rằng

một luồng đích bị hủy. Tuy nhiên, sự hủy sẽ xảy ra chỉ khi luồng đích kiểm tra để xác

định nếu nó được hủy hay không. Điều này cho phép một luồng kiểm tra nếu nó sẽ bị

hủy tại điểm nó có thể an toàn bị hủy. Pthreads gọi những điểm như thế là các điểm

hủy (cancellation points).

Hầu hết hệ điều hành cho phép một quá trình hay một luồng bị hủy bất đồng

bộ. Tuy nhiên, Pthread API cung cấp sự hủy trì hoãn. Điều này có nghĩa rằng một hệ

điều hành cài đặt Pthread API sẽ cho phép sự hủy có trì hoãn.

IV.5.3

Tín hiệu quản lý

Một tín hiệu (signal) được dùng trong hệ điều hành UNIX thông báo một sự

kiện xác định xảy ra. Một tín hiệu có thể được nhận hoặc đồng bộ hoặc bất đồng bộ

phụ thuộc mã và lý do cho sự kiện đang được báo hiệu. Một tín hiệu hoặc đồng bộ

hoặc bất đồng bộ đều theo sau cùng mẫu:

• Tín hiệu được phát sinh bởi sự xảy ra của một sự kiện xác định.

• Tín hiệu được phát sinh được phân phát tới một quá trình.

• Khi được phân phát xong, tín hiệu phải được quản lý.

Một thí dụ của tín hiệu đồng bộ gồm một truy xuất bộ nhớ không hợp lệ hay

chia cho 0. Trong trường hợp này, nếu một chương trình đang chạy thực hiện một

trong các hoạt động này, một tín hiệu được phát sinh. Các tín hiệu đồng bộ được phân

phát tới cùng một quá trình thực hiện thao tác gây ra tín hiệu (do đó lý do chúng được

xem đồng bộ).

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 85

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Khi một tín hiệu được phát sinh bởi một sự kiện bên ngoài tới một quá trình

đang chạy, quá trình đó nhận tín hiệu bất đồng bộ. Thí dụ, tín hiệu kết thúc quá trình

với phím xác định (như <control><C>) hay thời gian hết hạn. Điển hình, một tín hiệu

bất đồng bộ được gởi tới quá trình khác.

Mỗi tín hiệu có thể được quản lý bởi một trong hai bộ quản lý:

• Bộ quản lý tín hiệu mặc định

• Bộ quản lý tín hiệu được định nghĩa bởi người dùng

Mỗi tín hiệu có một bộ quản lý tín hiệu mặc định được thực thi bởi nhân khi

quản lý tín hiệu. Hoạt động mặc định có thể được ghi đè bởi một hàm quản lý tín hiệu

được định nghĩa bởi người dùng. Trong trường hợp này, hàm được định nghĩa bởi

người dùng được gọi để quản lý tín hiệu hơn là hoạt động mặc định. Cả hai tín hiệu

đồng bộ và bất đồng bộ có thể được quản lý trong các cách khác nhau. Một số tín hiệu

có thể được bỏ qua (như thay đổi kích thước của cửa sổ); các tín hiệu khác có thể

được quản lý bằng cách kết thúc chương trình (như truy xuất bộ nhớ không hợp lệ).

Quản lý tín hiệu trong những chương trình đơn luồng không phức tạp; các tín

hiệu luôn được phân phát tới một quá trình. Tuy nhiên, phân phát tín hiệu là phức tạp

hơn trong những chương trình đa luồng, như một quá trình có nhiều luồng. Một tín

hiệu nên được phân phát ở đâu?

Thông thường, các tuỳ chọn sau tồn tại:

• Phân phát tín hiệu tới luồng mà tín hiệu áp dụng

• Phân phát tín hiệu tới mỗi luồng trong quá trình.

• Phân phát tín hiệu tới các luồng cụ thể trong quá trình.

• Gán một luồng xác định để nhận tất cả tín hiệu cho quá trình.

Phương pháp cho việc phân phát tín hiệu phụ thuộc vào loại tín hiệu được phát

sinh. Thí dụ, các tín hiệu đồng bộ cần được phân phát tới luồng đã phát sinh ra tín

hiệu và không phân phát tới luồng nào khác trong quá trình. Tuy nhiên, trường hợp

với tín hiệu bất đồng bộ là không rõ ràng. Một số tín hiệu bất đồng bộ - như tín hiệu

kết thúc một quá trình (thí dụ:<control><c>)- nên được gởi tới tất cả luồng. Một số ấn

bản đa luồng của UNIX cho phép một luồng xác định tín hiệu nào sẽ được chấp nhận

và tín hiệu nào sẽ bị khoá. Do đó, một vài tín hiệu bất đồng bộ có thể được phân phát

tới chỉ các luồng không khoá tín hiệu. Tuy nhiên, vì tín hiệu cần được quản lý chỉ một

lần, điển hình một tín hiệu được phân phát chỉ luồng đầu tiên được tìm thấy trong một

luồng mà không nghẽn tín hiệu. Solaris 2 cài đặt bốn tuỳ chọn; nó tạo một luồng xác

định trong mỗi quá trình cho quản lý tín hiệu. Khi một tín hiệu bất đồng bộ được gởi

tới một quá trình, nó được gởi tới luồng xác định, sau đó nó phân phát tín hiệu tới

luồng đầu tiên không khoá tín hiệu.

Mặc dù Windows 2000 không cung cấp rõ sự hỗ trợ tín hiệu, nhưng chúng có

thể được mô phỏng sử dụng lời gọi thủ tục bất đồng bộ (asynchronous produce calls-

APC). Tiện ích APC cho phép luồng người dùng xác định hàm được gọi khi luồng

người dùng nhận thông báo về một sự kiện xác định. Như được hiển thị bởi tên của

nó, một APC rất giống tín hiệu bất đồng bộ trong UNIX. Tuy nhiên, UNIX phải đấu

tranh với cách giải quyết tín hiệu trong môi trường đa luồng, phương tiện APC phức

tạp hơn như một APC được phân phát tới luồng xác định hơn quá trình.

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 86

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

IV.5.4

Nhóm luồng

Trong phần VI.3, chúng ta mô tả kịch bản đa luồng của một trình phục vụ

web. Trong trường hợp này, bất cứ khi nào trình phục vụ nhận một yêu cầu, nó tạo

một luồng riêng để phục vụ yêu cầu đó. Ngược lại, tạo một luồng riêng thật sự cao

hơn tạo một quá trình riêng, dù sao một trình phục vụ đa luồng có thể phát sinh vấn

đề. Quan tâm đầu tiên là lượng thời gian được yêu cầu để tạo luồng trước khi phục vụ

yêu cầu, và lượng thời gian xoá luồng khi nó hoàn thành. Vấn đề thứ hai là vấn đề khó

giải quyết hơn: nếu chúng ta cho phép tất cả yêu cầu đồng hành được phục vụ trong

một luồng mới, chúng ta không thay thế giới hạn trên số lượng luồng hoạt động đồng

hành trong hệ thống. Những luồng không giới hạn có thể làm cạn kiệt tài nguyên hệ

thống, như thời gian CPU và bộ nhớ. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng nhóm

luồng.

Ý tưởng chung nằm sau nhóm luồng là tạo số lượng luồng tại thời điểm khởi

động và đặt chúng vào nhóm, nơi chúng ngồi và chờ công việc. Khi một trình phục vụ

nhận một yêu cầu, chúng đánh thức một luồng từ nhóm- nếu một luồng sẳn dùng –

truyền nó yêu cầu dịch vụ. Một khi luồng hoàn thành dịch vụ của nó, nó trả về nhóm

đang chờ công việc kế. Nếu nhóm không chứa luồng sẳn dùng, trình phục vụ chờ cho

tới khi nó rảnh.

Nói cụ thể, các lợi ích của nhóm luồng là:

1) Thường phục vụ yêu cầu nhanh hơn với luồng đã có hơn là chờ để tạo luồng.

2) Một nhóm luồng bị giới hạn số lượng luồng tồn tại bất kỳ thời điểm nào. Điều

này đặc biệt quan trọng trên những hệ thống không hỗ trợ số lượng lớn các

luồng đồng hành.

Số lượng luồng trong nhóm có thể được đặt theo kinh nghiệm (heuristics) dựa trên

các yếu tố như số CPU trong hệ thống, lượng bộ nhớ vật lý và số yêu cầu khách hàng

đồng hành. Kiến trúc nhóm luồng tinh vi hơn có thể tự điều chỉnh số lượng luồng

trong nhóm dựa theo các mẫu sử dụng. Những kiến trúc như thế cung cấp lợi điểm xa

hơn của các nhóm luồng nhỏ hơn-do đó tiêu tốn ít bộ nhớ hơn-khi việc nạp trên hệ

thống là chậm.

IV.5.5

Dữ liệu đặc tả luồng

Các luồng thuộc một quá trình chia sẻ dữ liệu của quá trình. Thật vậy, chia sẻ

dữ liệu này cung cấp một trong những lợi điểm của lập trình đa luồng. Tuy nhiên, mỗi

luồng có thể cần bản sao dữ liệu xác định của chính nó trong một vài trường hợp.

Chúng ta sẽ gọi dữ liệu như thế là dữ liệu đặc tả luồng. Thí dụ, trong một hệ thống xử

lý giao dịch, chúng ta có thể phục vụ mỗi giao dịch trong một luồng. Ngoài ra, mỗi

giao dịch có thể được gán một danh biểu duy nhất. Để gán mỗi luồng với định danh

duy nhất của nó chúng ta có thể dùng dữ liệu đặc tả dữ liệu. Hầu hết thư viện luồng

gồm Win32 và Pthread – cung cấp một số biểu mẫu hỗ trợ cho dữ liệu đặc tả luồng.

Java cũng cung cấp sự hỗ trợ như thế.

IV.6Pthreads

Pthreads tham chiếu tới chuẩn POSIX (IEEE 1003.1c) định nghĩa API cho việc

tạo và đồng bộ luồng. Đây là một đặc tả cho hành vi luồng không là một cài đặt.

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 87

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Người thiết kế hệ điều hành có thể cài đặt đặc tả trong cách mà họ muốn. Thông

thường, các thư viện cài đặt đặc tả Pthread bị giới hạn đối với các hệ thống dựa trên

cơ sở của UNIX như Solaris 2. Hệ điều hành Windows thường không hỗ trợ Pthreads

mặc dù các ấn bản shareware là sẳn dùng trong phạm vi công cộng.

Trong phần này chúng ta giới thiệu một số Pthread API như một thí dụ cho thư

viện luồng cấp người dùng. Chúng ta sẽ xem nó như thư viện cấp người dùng vì

không có mối quan hệ khác biệt giữa một luồng được tạo dùng Pthread và luồng được

gắn với nhân. Chương trình C hiển thị trong hình dưới đây, mô tả một Pthread API cơ

bản để xây dựng một chương trình đa luồng.

Chương trình hiển thị trong hình tạo một luồng riêng xác định tính tổng của một

số nguyên không âm. Trong chương trình Pthread, các luồng riêng bắt đầu thực thi

trong một hàm xác định. Trong hình, đây là một hàm runner. Khi chương trình này

bắt đầu, một luồng riêng điều khiển bắt đầu trong main. Sau khi khởi tạo, main tạo ra

luồng thứ hai bắt đầu điều khiển trong hàm runner.

Bây giờ chúng ta sẽ cung cấp tổng quan của chương trình này chi tiết hơn. Tất

cả chương trình Pthread phải chứa tập tin tiêu đề pthread.h. pthread_t tid khai báo

danh biểu cho luồng sẽ được tạo. Mỗi luồng có một tập các thuộc tính gồm kích thước

ngăn xếp và thông tin định thời. Khai báo pthread_attr_t attr hiện diện các thuộc tính

cho luồng. Chúng ta sẽ thiết lập các thuộc tính trong gọi hàm pthread_attr_init(&attr).

Vì chúng ta không thiết lập rõ thuộc tính, chúng ta sẽ dùng thuộc tính mặc định được

cung cấp. Một luồng riêng được tạo với lời gọi hàm pthread_create. Ngoài ra, để

truyền định danh của luồng và các thuộc tính cho luồng, chúng ta cũng truyền tên của

hàm, nơi một luồng mới sẽ bắt đầu thực thi, trong trường hợp này là hàm runner. Cuối

cùng chúng ta sẽ truyền số nguyên được cung cấp tại dòng lệnh, argv[1].

Tại điểm này, chương trình có hai luồng: luồng khởi tạo trong main và luồng

thực hiện việc tính tổng trong hàm runner. Sau khi tạo luồng thứ hai, luồng main sẽ

chờ cho luồng runner hoàn thành bằng cách gọi hàm pthread_join. Luồng runner sẽ

hoàn thành khi nó gọi hàm pthread_exit.

#include<pthread>

#include<stdio.h>

int sum: /*Dữ liệu này được chia sẻ bởi thread(s)*/

void *runner(void *param); /*luồng*/

main(int argc, char *argv[])

{

pthread_t tid; /*định danh của luồng*/

pthread_attr_t attr; /*tập hợp các thuộc tính*/

if(argc !=2){

fprintf(stderr, “usage: a.out <integer value>”);

exit();

}

if (atoi(argv[1] < 0)){

fprintf(stderr,”%d must be >= 0 \n”, atoi(argv[1]));

exit();

}

/*lấy các thuộc tính mặc định*/

pthread_attr_init(&attr);

/*tạo một luồng*/

pthread_create(&tid,&attr,runner, argv[1]);

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 88

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

/*bây giờ chờ luồng kết thúc*/

pthread_join(tid,NULL);

printf(“sum = %d\n”,sum);

/*Luồng sẽ bắt đầu điều khiển trong hàm này*/

void *runner(void *param)

{

int upper = atoi(param);

int i;

sum = 0;

if (upper > 0){

sum+= i;

}

pthread_exit(0);

}

Hình 0-5-Chương trình C đa luồng dùng Pthread API

IV.7Luồng Solaris 2

Solaris 2 là một ấn bản của UNIX với hỗ trợ luồng tại cấp độ nhân và cấp độ

người dùng, đa xử lý đối xứng (SMP) và định thời thời thực. Solaris 2 cài đặt Pthread

API hỗ trợ luồng cấp người dùng với thư viện chứa APIs cho việc tạo và quản lý

luồng (được gọi luồng UI). Sự khác nhau giữa hai thư viện này rất lớn, mặc dù hầu

hết người phát triển hiện nay chọn thư viện Pthread. Solaris 2 cũng định nghĩa một

cấp độ luồng trung gian. Giữa luồng cấp nhân và cấp người dùng là các quá trình nhẹ

(lightweight process- LWPs). Mỗi quá trình chứa ít nhất một LWP. Thư viện luồng đa

hợp luồng người dùng trên nhóm LWP cho quá trình và chỉ luồng cấp người dùng

hiện được nối kết tới một LWP hoàn thành công việc. Các luồng còn lại bị khoá hoặc

chờ cho một LWP mà chúng có thể thực thi trên nó.

Luồng cấp nhân chuẩn thực thi tất cả thao tác trong nhân. Mỗi LWP có một

luồng cấp nhân, và một số luồng cấp nhân (kernel) chạy trên một phần của nhân và

không có LWP kèm theo (thí dụ, một luồng phục vụ yêu cầu đĩa ). Các luồng cấp

nhân chỉ là những đối tượng được định thời trong hệ thống. Solaris 2 cài mô hình

nhiều-nhiều; toàn bộ hệ thống luồng của nó được mô tả trong hình dưới đây:

Hình 0-6-Luồng Solaris 2

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 89

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

Các luồng cấp người dùng có thể giới hạn hay không giới hạn. Một luồng cấp

người dùng giới hạn được gán vĩnh viễn tới một LWP. Chỉ luồng đó chạy trên LWP

và yêu cầu LWP có thể được tận hiến tới một bộ xử lý đơn (xem luồng trái nhất trong

hình trên). Liên kết một luồng có ích trong trường hợp yêu cầu thời gian đáp ứng

nhanh, như ứng dụng thời thực. Một luồng không giới hạn gán vĩnh viễn tới bất kỳ

LWP nào. Tất cả các luồng không giới hạn được đa hợp trong một nhóm cac LWP sẳn

dùng cho ứng dụng. Các luồng không giới hạn là mặc định. Solaris 8 cũng cung cấp

một thư viện luồng thay đổi mà mặc định chúng liên kết tới tất cả các luồng với một

LWP.

Xem xét hệ thống trong hoạt động: bất cứ một quá trình nào có thể có nhiều

luồng người dùng. Các luồng cấp người dùng này có thể được định thời và chuyển đổi

giữa LWPs bởi thư viện luồng không có sự can thiệp của nhân. Các luồng cấp người

dùng cực kỳ hiệu quả vì không có sự hỗ trợ nhân được yêu cầu cho việc tạo hay huỷ,

hay thư viện luồng chuyển ngữ cảnh từ luồng người dùng này sang luồng khác.

Mỗi LWP được nối kết tới chính xác một luồng cấp nhân, ngược lại mỗi luồng

cấp người dùng là độc lập với nhân. Nhiều LWPs có thể ở trong một quá trình, nhưng

chúng được yêu cầu chỉ khi luồng cần giao tiếp với một nhân. Thí dụ, một LWP được

yêu cầu mỗi luồng có thể khoá đồng hành trong lời gọi hệ thống. Xem xét năm tập tin

khác nhau-đọc các yêu cầu xảy ra cùng một lúc. Sau đó, năm LWPs được yêu cầu vì

chúng đang chờ hoàn thành nhập/xuất trong nhân. Nếu một tác vụ chỉ có bốn LWPs

thì yêu cầu thứ năm sẽ không phải chờ một trong những LWPs để trả về từ nhân. Bổ

sung một LWP thứ sáu sẽ không đạt được gì nếu chỉ có đủ công việc cho năm.

Các luồng nhân được định thời bởi bộ lập thời biểu của nhân và thực thi trên

một hay nhiều CPU trong hệ thống. Nếu một luồng nhân khoá (trong khi chờ một thao

tác nhập/xuất hoàn thành), thì bộ xử lý rảnh để thực thi luồng nhân khác. Nếu một

luồng bị khoá đang chạy trên một phần của LWP thì LWP cũng khoá. Ở trên vòng,

luồng cấp người dùng hiện được gán tới LWP cũng bị khoá. Nếu một quá trình có

nhiều hơn một LWP thì nhân có thể định thời một LWP khác.

Thư viện luồng tự động thay đổi số lượng LWPs trong nhóm để đảm bảo năng

lực thực hiện tốt nhất cho ứng dụng. Thí dụ, nếu tất cả LWPs trong một quá trình bị

khoá bởi những luồng có thể chạy thì thư viện tự tạo một LWP khác được gán tới một

luồng đang chờ. Do đó, một chương trình được ngăn chặn từ một chương trình khác

bởi sự nghèo nàn của những LWPs không bị khoá. LWPs là những tài nguyên nhân

đắt để duy trì nếu chúng không được dùng. Thư viện luồng “ages” LWPs và xoá

chúng khi chúng không được dùng cho khoảng thời gian dài, điển hình khoảng 5 phút.

Các nhà phát triển dùng những cấu trúc dữ liệu cài đặt luồng trên Solaris 2:

• Luồng cấp người dùng chứa một luồng ID; tập thanh ghi (gồm một bộ đếm

chương trình và con trỏ ngăn xếp); ngăn xếp; và độ ưu tiên (được dùng bởi

thư viện cho mục đích định thời). Không có cấu trúc dữ liệu nào là tài

nguyên nhân; tất cả chúng tồn tại trong không gian người dùng.

• Một LWP có một tập thanh ghi cho luồng cấp nhân nó đang chạy cũng như

bộ nhớ và thông tin tính toán. Một LWP là một cấu trúc dữ liệu nhân và nó

nằm trong không gian nhân

• Một luồng nhân chỉ có một cấu trúc dữ liệu nhân và ngăn xếp. Cấu trúc dữ

liệu gồm bản sao các thanh ghi nhân, con trỏ tới LWP mà nó được gán, độ

ưu tiên và thông tin định thời.

Mỗi quá trình trong Solaris 2 gồm nhiều thông tin được mô tả trong khối điều

khiển quá trình (Process Control Block-PCB ). Trong thực tế, một quá trình Solaris 2

Biên Soạn: Th.s Nguyễn Phú Trường - 09/2005

Trang 90

Đại Học Cần Thơ - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Giáo Trình Hệ Điều Hành – V1.0

chứa một định danh quá trình (Process ID-PID); bản đồ bộ nhớ; danh sách các tập tin

đang mở, độ ưu tiên; và con trỏ của các luồng nhân vơi quá trình (Hình ).

Hình 0-7-Quá trình Solaris 2

IV.8Luồng Windows 2000

Windows 2000 cài đặt Win32 API. Win32 API là một API chủ yếu cho họ hệ

điều hành Windows (Windows 95/98/NT và Windows 2000). Thực vậy, những gì

được đề cập trong phần phần này áp dụng tới họ hệ điều hành này

Ứng dụng 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.9Luồng 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

Giáo trình Hệ điều hành V1.0 - Bài: Luồng - Nguyễn Phú Trường