Sistemas Operativos. Sincronização de threads com objectos kernel no Windows. Centro de Cálculo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

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Sistemas Operativos

Sincronização de threads com objectos kernel no Windows

João Pedro Patriarca (jpatri@cc.isel.ipl.pt)

Centro de Cálculo

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CCISEL Sistemas Operativos: Sincronização de threads com objectos kernel

Objectos Kernel

• Processes

• Threads

• Jobs

• File and console standard input/output/error streams

• Events

• Waitable timers

• Semaphores

• Mutexes

• Um objecto pode estar sinalizado ou não

• Uma thread pode-se colocar no estado Wait até que um objecto fique

sinalizado

• As regras de sinalização dos objectos dependem do tipo concreto de

objecto: ex, processos e threads sinalizados indicam a sua terminação;

uma vez atingido esse estado, não mais sairão

• Um objecto kernel é partilhável por vários processos

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Objectos usados para

sincronização de threads

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Funções de espera (Wait) de sinalização de objectos

DWORD WaitForSingleObject(

HANDLE hObject,

DWORD dwMilliseconds);

dwMilliseconds = INFINITE = 0xFFFFFFFF (-1)

• Retorna WAIT_FAILED, WAIT_TIMEOUT, WAIT_OBJECT_0

• Esperar por um objecto sinalizado promove o retorno imediato

DWORD WaitForMultipleObjects(

DWORD dwCount,

CONST HANDLE * phObjects,

BOOL bWaitAll,

DWORD dwMilliseconds);

• bWaitAll: true = espera por todos

• No caso de sucesso, retorna WAIT_OBJECT_0 + N,

– com N igual a 0 se bWaitAll a true

– com N igual ao valor do índice do objecto sinalizado se bWaitAll a false;

especial atenção ao objecto sinalizado se pretender-se chamar a função de

espera novamente

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Consequências da espera por sinalização de objectos

• A espera com sucesso por sinalização em alguns objectos promove

a alteração de estado nos próprios objectos

• Um retorno sem sucesso nunca altera o estado do objecto

• A função WaitForMultipleObjects garante atomicidade na

alteração de estado dos objectos pelos quais espera sinalização (no

cenário do parâmetro bWaitAll vir a true)

• Quando o objecto kernel não for mais necessário dever-se-á chamar

a função

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

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Objecto kernel Event

• O objecto mais simples de todos

• Contém

– um contador de referências (tal como todos os objectos kernel)

– booleano que indica se o reset ao evento é feito automaticamente ou

manualmente quando sinalizado

– booleano que indica se o estado do evento é sinalizado ou não

• Utilização adequada na cooperação entre threads:

– O trabalho a realizar por uma thread depende do trabalho realizado por

outra thread

• Todas as threads na lista de waitables ficam schedulable quando um

evento com reset manual é sinalizado

• Apenas uma thread na lista de waitables fica schedulable quando um

evento com reset automático é sinalizado

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Objecto kernel Event

Funções relevantes

HANDLE CreateEvent(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState, PCTSTR pszName);

HANDLE CreateEventEx(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, PCTSTR pszName, DWORD dwFlags, DWORD dwDesiredAccess); dwFlags ∈ { CREATE_EVENT_INITIAL_SET,

CREATE_EVENT_MANUAL_RESET } HANDLE OpenEvent(

DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInherit, PCTSTR pszName); • Todos carecem da chamada a CloseHandle quando o objecto não for mais

necessário

BOOL SetEvent(HANDLE hEvent); // coloca o objecto no estado sinalizado BOOL ResetEvent(HANDLE hEvent); // coloca o objecto no estado não

sinalizado

• Um evento com reset automático é colocado automaticamente no estado não sinalizado quando uma thread conclui a espera com sucesso

BOOL PulseEvent(HANDLE hEvent); // O mesmo que SetEvent seguido de ResetEvent

• Só as threads que estão à espera pelo objecto no momento do Pulse é que ficam schedulable (manual reset); mecanismo de sincronismo pouco usado

6

http://msdn.microsoft.com/en-us/ library/ms686670(v=vs.85).aspx

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Waitable timer kernel objects

HANDLE CreateWaitableTimer(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, BOOL bManualReset,

PCTSTR pszName);

HANDLE OpenWaitableTime(

DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInheritHandle,

PCTSTR pszName);

BOOL SetWaitableTimer(

HANDLE hTimer,

const LARGE_INTEGER *pDueTime,

LONG lPeriod,

PTIMEAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,

PVOID pvArgToCompletionRoutine,

BOOL bResume);

BOOL CancelWaitableTimer(HANDLE hTimer);

7

>= 0, data absoluta

< 0, tempo relativo à chamada da função

Normalmente a false

Asynchronous Procedure Call

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Objecto kernel Semaphore

• Adequado para contador de recursos

• Para além dos atributos comuns de um objecto kernel, contém 2

valores a 32 bits com sinal

– contador com o número máximo de recursos que o semáforo pode

controlar

– contador com o número corrente de recursos disponíveis

• Regras de sinalização

– contador corrente de recursos maior que zero, o semáforo está

sinalizado

– contador corrente de recursos igual a zero, o semáforo não está

sinalizado

– o sistema nunca permite que o contador corrente de recursos seja

negativo

– o valor do contador corrente de recursos não pode ser nunca maior do

que o valor do contador com o número máximo de recursos

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Objecto kernel Semaphore

Funções relevantes

HANDLE CreateSemaphore(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount, PCTSTR pszName);

HANDLE CreateSemaphoreEx(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, LONG lInitialCount,

LONG lMaximumCount, PCTSTR pszName, DWORD dwFlags,

DWORD dwDesiredAccess);

HANDLE OpenSemaphore(

DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInherit, PCTSTR pszName);

• Uma thread que solicite um recurso com o contador de recursos

corrente a zero é colocada no estado Wait

• O teste e decremento do contador corrente de recursos é feito de forma

atómica

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSemaphore,

LONG lReleaseCount,

PLONG plPreviousCount);

9

Indica quantos recursos estão disponíveis inicialmente

Aceita o argumento NULL

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Objecto kernel Mutex

• Garante exclusão no acesso a um recurso

• Para além dos atributos comuns de um objecto kernel, contém

– identificador da thread que detém o mutex

– um contador de recursões

• Regras de sinalização

– Se o identificador da thread for 0, o mutex não é detido por nenhuma

thread e, portanto, está sinalizado

– Se o identificador da thread for diferente de 0, o mutex é detido por uma

thread e, portanto, não está sinalizado

– Mesmo sem estar sinalizado, o acesso a recursos guardados pelo mutex

pode ser concedido num caso especial: a thread que solicita o recurso é

a mesma que já o detém

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Objecto kernel Mutex

Funções relevantes

HANDLE CreateMutex(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa, BOOL bInitialOwner, PCTSTR pszName);

HANDLE CreateMutexEx(

PSECURITY_ATTRIBUTES psa , PCTSTR pszName, DWORD dwFlags, DWORD dwDesiredAccess);

HANDLE OpenMutex(

DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInheritOwner, PCTSTR pszName);

• Uma thread é colocada no estado Wait quando solicita o recurso guardado pelo mutex se o identificador da thread for diferente de 0 e diferente da thread que solicita o

recurso

• O teste do identificador e incremento do contador de recursões é feito de forma atómica

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

• Decrementa o contador de recursões se o identificador da thread for igual à thread correntte

– O mutex fica sinalizado se o contador de recursões atingir o valor 0

• Uma função de espera retorna o valor especial WAIT_ABANDONED caso a thread que detém o mutex termine sem o libertar (o SO detecta-o colocando o identificador da thread e o contador de recursões a 0)

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0  false

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Resumo

Object

When

nonsignaled

When signaled

Successful Wait

Side Effect

Process

When still alive

When terminates

(ExitProcess,

TerminateProcess)

None

Thread

When still alive

When terminates

(ExitProcess,

TerminateProcess)

None

Job

When time’s job

has not expired

When time job

expires

None

File

When I/O request

is pending

When I/O request

completes

None

Console input

No input exists

When input is

available

None

File change

notifications

No file have

changed

When fyle system

detects changes

Reset notification

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Resumo (continuação)

Object

When nonsignaled

When signaled

Successful Wait

Side Effect

Auto-reset

event

ResetEvent,

PulseEvent or

successful wait

When SetEvent or

PulseEvent is called

Reset event

Manual-reset

event

ResetEvent or

PulseEvent

When SetEvent or

PulseEvent is called

None

Auto-reset

waitable timer

CancelWaitableTimer

or successful wait

When time comes due

(SetWaitableTimer)

Reset timer

Manual-reset

waitable timer

CancelWaitableTimer

When time comes due

(SetWaitableTimer)

None

Semaphore

Successful wait

When count > 0

(ReleaseSemaphore)

Decrement count

by 1

Mutex

Successful wait

When unowned by a

thread (ReleaseMutex)

Give ownership

to a thread

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Resumo (continuação)

Object

When

nonsignaled

When signaled

Successful Wait

Side Effect

CriticalSection

(user-mode)

Successful wait

((Try)Enter-Critical-Section)

When unowned by

a thread

(LeaveCriticalSecti

on)

Give onweship to

a thread

SWRLock

(user-mode)

Successful wait

(AquireSRWLock(

Exclusive)))

When unowned by

a thread

(ReleaseSRWLoc

k(Exclusive))

Gives onweship to

a thread

Condition variable

(user-mode)

Successful wait

(SleepConditionVa

riable)

When woken up

(Wake(All)Conditio

nVariable)

None

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Bibliografia

• “Windows via C/C++”, Richter e Nasarre, cap. 9, 5ª edição

• MSDN – windows development