Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Багатопотоковість
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра САПР
Інформація про роботу
Рік:
2011
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Група:
КН
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет "Львiвська полiтехнiка"
Кафедра САПР
/
Лабораторна робота №1
на тему:
“ Багатопотоковість ”
з курсу: “ Багатопроцесорні системи та паралельні обчислення ”
Львів 2011
1. МЕТА РОБОТИ
Одержати навики побудови алгоритмів лінійних обчислювальних процесів, навчитися складати алгоритми та програмувати процеси з розгалуженням, циклами, ітераційними циклами за допомогою мови Java. Одержати навички роботи із масивами.
2.ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
17.1. Процес
Основне поняття сучасних операційних систем — процесс (process). Як і всі загальні поняття, процес важко визначити. Можна розуміти під процесом виконувану (runnable) програму, але треба памятати про те, що у процесу єсть декілька станів. Процес може в будь-який момент перейти до виконання машинного коду іншої програми, а також "заснути" (sleep) на деякий час, призупинивши виконання програми. Він може бути вивантажений на диск. Кількість станів процесу і їх особливості залежать від операційної системи.
Всі сучасні операційні системи багатозадачні (multitasking), вони запускають і виконують зразу декілька процесів. Одночасно може працювати браузер, текстовий редактор, музичний програвач. На екрані дисплея відкриваються декілька вікон, кожне з яких звязано із своїм працюючим процесом. Якщо на компютері тільки один процессор, то він переключається з одного процесу на другий, створюючи видимість одночасної роботи. Переключення відбувається по закінченню одного або декількох "тиків" (ticks). Розмір тику залежить від тактової частоти процесора і звичайно має порядок 0,01 секунди. Процесам назначаються різні пріоритети (priority). Процеси з низьким пріоритетом не можуть перервати виконання процесу з більш високим пріоритетом, вони менше займають процесор, тому виконуються повільно, як говорять, "на фоні". Самий високий пріоритет у системних процесів, наприклад, у диспетчера (scheduler), який як раз і займається переключенням процесора з процесу на процесс. Такі процеси не можна переривати, поки вони не закінчать работу, інакше компютер швидко прийде в хаотичний стан.
Кожному процесу виділяється певна область оперативної памяті для розміщення коду програми і її даних — його адресний простір. В цю ж область записується частина даних про процес, складаюча його контекст (context). Дуже важливо розділить адресний простір різних процесів, щоб вони не могли змінити код і дані один одного. Операційні системи по-різному відносяться до забезпечення захисту адресних просторів процесів. MS Windows NT/2000 ретельно розділяють адресні простори, витрачаючи на це багато ресурсів і часу. Це підвищує надійність виконання програми, але утруднює створення процесу. Такі операційні системи погано справляються з управлінням великого числа процесів.
Операційні системи сімейства UNIX менше турбуються про захист памяті, але легше створюють процеси і здатні управляти сотнею одночасно працюючих процесів. Крім управління работою процесів операційна система повинна забезпечити засоби їх взаємодії: обмін сигналами і повідомленнями, створення спільних декільком процесам областей памяті і виконуваного коду програми. Ці засоби також вимагають ресурсів і уповільнюють роботу компютера.
Роботу багатозадачної системи можна спроститс і прискорити, якщо дозволити взаємодіючим процесам працювати в одному адресному просторі. Такі процесси називаються threads. Буквальний переклад - "нитка", але ми зупинимося на слові "підпроцес". Підпроцеси створюють нові труднощі для операційної системи — треба дуже уважно слідкувати за тим, щоб вони не заважали один одному при запису в спільні ділянки памяті, — але зате полегшують взаємодію підпроцесів. Створення підпроцесів і управління ними — це справа операційної системи, але в Java введені засоби для виконання цих дій. Оскільки програми, написані на Java, повинні працювати у всіх операційних системах, ці засоби дозволяють виконувати тільки самі загальні дії.
Коли операційна система запускає віртуальну машину Java для виконання додатку, вона створює один процес з декількома підпроцесами. Головний (main) підпроцес виконує байт-коди програми, а саме, він зразу ж звертається до методу main() додатку. Цей підпроцес може породити нові підпроцеси, які, в свою чергу, здатні породить підпроцеси і т. д. Головним підпроцесом аплета являеться один із підпроцесів браузера, в якому аплет виконується. Головний підпроцес не грає ніякої особливої ролі, просто він створюється першим.
Підпроцес в Java створюється і управляється методами класу Thread. Після створення обєкта цього класу одним із його конструкторів новий підпроцес запускається методом start (). Отримати посилку на поточний підпроцес можна статичним методом Thread.currentThread() ;
Клас Thread реалізує інтерфейс RunnabІe. Цей інтерфейс описує тільки один метод run(). Новий підпроцес буде виконувати те, що записано в цьому методі. Між іншим, клас Thread містить тільки пусту реалізацію методу run(), тому клас Thread не використовується сам по собі, він завжди розширюється. При його розширенні метод run() перевизначається. Метод run() не містить аргументів, так як нікому передавати їх значення в метод. Він не повертає значення, його нікуди передавати. До методу run() не можна звернутися із програми, це завжди робиться автоматично виконуючою системою Java при запуску нового підпроцесу методом start ().
Отже, задати дії створюваного підпроцесу можна двома способами: розширити клас Thread або реалізувати інтерфейс RunnabІe. Перший спосіб дозволяє використовувати методи класу Thread для управління підпроцесом. Другий спосіб застосовується в тих випадках, коли треба тільки реалізувати метод run(), або клас, створюючий підпроцес, уже розширяє якийсь інший клас. Подивимося, які конструктори і методи містить клас Thread.
17.2. Клас Thread
В класі Thread сім конструкторів:
Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) — створює підпроцес з іменем name, належний групі group і виконуючий метод run() обєкта target. Це основной конструктор, всі інші звертаються до нього з тим чи іншим параметром, рівним null;
Thread() — створюваний підпроцесс буде виконувати свій метод run();
Thread(Runnable target);
Thread(Runnable target, String name);
Thread(String name);
Thread(ThreadGroup group, Runnable target);
Thread(ThreadGroup group, String name).
Імя підпроцесу name не має ніякого значення, воно не використовується віртуальною машиною Java і застосовується тільки для відрізняння підпроцесів в програмі. Після створення підпроцесу його треба запустити методом start(). Віртуальна машина Java почне виконувати метод run() цього обєкта-підпроцеса. Підпроцес завершить роботу після виконання метода run(). Для знищення обєкта-підпроцеса вслід за цим він повинен присвоїти значення null.
Виконуваний підпроцес можна призупинити статичним методом sleep (long ms) на ms мілісекунд. Цей метод ми уже використовували в попередніх уроках. Якщо обчислювальна система може відраховувати наносекунди, то можна призупинити підпроцес з точністю до наносекунд методом sleep(long ms, int nanosec). В лістинзі 17.1 приведено найпростіший приклад. Головний підпроцесс створює два підпроцеси з іменами Thread1 і Thread 2, виконуючих один і той же метод run().
Частіше всього в новому підпроцесі задаються нескінчені дії, виконувані на фоні основних дій: програється музика, на екрані крутиться анімований логотип фірми, біжить рекламний рядок. Для реалізації такого підпроцеса в методі run() задається нескінчений цикл, зупинюваний після того, як обєкт-підпроцес отримає значення null. Для переривання його виконання передбачений метод stop(), до якого звертається головний підпроцес. Ця стандартна конструкція, рекомендована документацією J2SDK. Головний підпроцес в даному прикладі тільки створює обєкти-підпроцеси, чекає одну секунду і зупиняє їх.
17.3. Синхронізація підпроцесів
Основна складність при написанні програм, в яких працюють декілька підпроцесів — це узгодити сумісну роботу підпроцесів із загальними комірками памяті.
В заголовку оператора synchronized в дужках указується посилання на обєкт, який буде заблокований перед виконанням блоку. Обєкт буде недоступний для інших підпроцесів, поки виконується блок. Після виконання блоку блокування знімається. Якщо при написанні якогось методу виявилось, що в блок synchronized входять всі оператори цього методу, то можна просто помітить метод словом synchronized, зробивши його синхронізованим (synchronized).
Дії, що входять в синхронізований блок або метод створюють критичну ділянку (critical section) програми. Декілька підпроцесів, що збираються виконувати критичну ділянку, стають в чергу. Це сповільнює роботу програми, тому для швидкого її виконання критичних ділянок повинно бути як можна менше, і вони повинні бути як можна коротші. Багато методів Java 2 SDK синхронізовані. Це відюувається тому, що метод print() класу Printstream синхронізований, при його виконанні вихідний потік system.out блокується до тих пір, доки метод print () не закінчить свою роботу.
Отже, ми можемо легко організувати послідовний доступ декількох підпроцесів до полів одного обєкта за допомогою оператора synchronized() {}. Синхронізація забезпечує взаємно виключаюче (mutually exclusive) виконання підпроцесів. Але що робити, якщо потрібний сумісний доступ декількох підпроцесів до спільних обєктів? Для цього в Java існує механізм очікування і сповіщення (wait-notify).
17.4. Узгодження роботи декількох підпроцесів
Можливість створення багатопотокових програм закладена в Java з самого її створення. В кожному обєкті єсть три методи wait() і один метод notify(), дозволяючі призупиняти роботу підпроцесу з цим обєктом, дозволити іншому підпроцесу попрацювати з обєктом, а потім сповістити (notify) перший підпроцес про можливість продовження роботи. Ці методи визначені прямо в класі object і наслідуються всіма класами. З кожним обєктом звязано багато підпроцесів, очікуючих доступу до обєкту (wait set). Спочатку цей "зал очікування" порожній.
Основний метод wait (long miІІisec) призупиняє поточний підпроцес this, працюючий з обєктом, на miІІisec мілісекунд і переводить його в "зал очікування", в множину очікуючих підпроцесів. Звернення до цього методу допускається тільки в синхронізованому блоці або методі, щоб бути впевненими в тому, що з обєктом працює тільки один підпроцес. Через miІІisec або після того, як обєкт отримає сповіщення методом notify(), підпроцес готовий відновити роботу. Якщо аргумент miІІisec рівний 0, то час очікування не визначено і відновлення роботи підпроцесу можна тільки після того, як обєкт отримає сповіщення методом notify(). Відміна даного методу від методу sleep() в тому, що метод wait() знімають блокування з обєкта. З обєктом може працювати один із підпроцесів із "зала очікування", звичайно той, який чекав довше всіх, хоч це не гарантуеться специфікацією JLS.
Другий метод wait () еквівалентний wait(0). Третій метод wait (long millisec, int nanosec) уточнює затримку на nanosec наносекунд, якщо їх зуміє відрахувати операційна система. Метод notify() виводить із "зали очікування" тільки один, довільно вибраний підпроцес. Метод notifyAll() виводить із стану очікування всі підпроцеси. Ці методи теж повинні виконуватися в синхронізованому блоці або методі.
17.5. Пріоритети підпроцесів
Планувальник підпроцесів віртуальної машини Java призначає кожному підпроцесу однаковий час виконання процесором, переключаючись з підпроцеса на підпроцес по закінченню цього часу. Інколи необхідно виділити якомусь підпроцесу більше або менше часу в порівнянні з іншим підпроцесом. В такому випадку можна задати підпроцесу більший або менший пріоритет. В класі Thread єсть три цілі статичні константи, що задають пріоритети:
NORM_PRIORITY — звичайний пріоритет, який одержує кожний підпроцес при запуску, його числове значення 5;
MIN_PRIORITY — найменший пріоритет, його значення 1;
MAX_PRIORITY — найвищий пріоритет, його значення 10.
Крім цих значень можна задать будь-яке проміжне значення від 1 до 10, але треба памятати про те, що процесор буде переключатися між підпроцесами з однаковим вищим пріоритетом, а підпроцеси з меншим пріоритетом не стануть виконуватися, якщо тільки не призупинені всі підпроцеси з вищим пріоритетом. Тому для підвищення загальної продуктивності належить призупиняти час від часу методом sleep() підпроцеси з високим пріоритетом.
Установити той чи інший пріоритет можна в будь-який час методом setPriorityfint newPriority), якщо підпроцес має право змінювати свій пріоритет. Перевірити наявність такого права можна методом checkAtcess(). Цей метод викидає виключення класу SecurityЕxception, якщо підпроцес не може змінити свій пріоритет. Породжені підпроцеси будуть мати той же пріоритет, що і підпроцес-батько. Отже, підпроцеси, як правило, повинні працювати з пріоритетом NORM_PRIORITY. Підпроцеси більшу частину часу очікуючі настання якоїсь події, наприклад, натискання користувачем кнопки Вихід, можуть отримати більш високий пріоритет MAX_PRIORITY. Підпроцеси, виконуючі тривалу роботу, наприклад, установку мережевого зєднання або рисування зображення в памяті при подвійній буферизації, могжть працювати з нижчим пріоритетом MIN_PRIORITY.
17.6. Підпроцеси-демони
Робота програми починається з виконання метоуа main() головним підпроцесом. Цей підпроцес може породити інші підпроцеси, вони, в свою чергу, здатні породити свої підпроцеси. Після цього головний підпроцес нічим не буде відрізнятися від решти підпроцесів. Він не слідкує за породженими ним підпроцесами, не чекає від них ніяких сигналів. Головний підпроцес може завершитися, а програма буде продовжувати роботу, доки не закінчить роботу останній підпроцес. Це правило не завжди зручне. Наприклад, якийсь із підпроцесів може призупинитися, очікуючи мережевого зєднання, яке ніяк не може наступити. Користувач, не дочекавшись зєднання, зупиняє роботу головного підпроцесу, але програма продовжує працювати.
Такі випадки можна врахувати, оголосивши деякі підпроцеси демонами (daemons). Це поняття не співпадає з поняттям демона в UNIX. Просто програма завершується по закінченні роботи останнього користувальського (user) підпроцесу, не чекаючи закінчення роботи демонів. Демони будуть примусово завершені виконуючою системою Java. Оголосити підпроцес демоном можна зразу після його створення, перед запуском. Це робиться методом setDaemon(true). Даний метод звертаэться до методу checkAccess() і може викинути SecurityException. Змінити статус демона після запуску процесу уже неможна. Всі підпроцеси, породжені демоном, теж будуть демонами. Для зміни їх статусу необхідно звернутися до методу setDaemon(false).
17.7. Групи підпроцесів
Підпроцеси обєднуються в групи. На початку роботи програми виконуюча система Java створює групу підпроцесів з іменем main. Всі підпроцеси по замовчуванню попадають в цю групу. В будь-який час програма може створити новіе групи підпроцесів і підпроцеси, що входять в ці групи. Спочатку створюється група — екземпляр класуа ThreadGroup, конструктором
ThreadGroup(String name)
При цьому група отримує імя, задане аргументом name. Потім цей екземпляр указується при створенні підпроцесіов в конструкторах класу Thread. Всі підпроцеси попадуть в групу з іменем, заданим при створенні групи. Групи підпроцесів можуть утворювати ієрархію. Одна група породжується від другої конструктором
ThreadGroup(ThreadGroup parent, String name)
Групи підпроцесіов використовуються головним чином для задання пріоритетів підпроцесам всередині групи. Зміна пріоритетів всередині групи не буде впливати на пріоритети підпроцесів зовні ієрархії цієї групиы. Кожна група маєт максимальний пріоритет, устанавлюваний методом setMaxPriority(int maxPri) класу ThreadGroup. Ні один підпроцес із цієї групи не може перевищити значення maxPri, але пріоритети підпроцесів, задані до установки maxPri, не змінюються.
3. ЛАБОРАТОРНЕ ЗАВДАННЯ
Варіант 17.
Програма моделює обслуговування одного потоку процесів одним центральним процесором комп'ютера з однією чергою заданого розміру. Якщо черговий процес генерується в мить, коли процесор вільний, процес поступає на обробку в процесор, інакше процес поступає в чергу. Якщо процесор вільний і в черзі є процеси, процес віддаляється з черги. Якщо розмір черги перевищує заданий розмір, процес знищується. Визначте відсоток знищених процесів.
3.1 Лістинг програми
public class MyThread2
{
public final static int M=100;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
CPU cpu = new CPU();
int a[]=new int[10];
Process[] process = new Process[M];
for(int i=0;i<M;i++)
{
process[i] = new Process(1,4);
}
int n=0; int n2=100; int j=0; int k=0;
System.out.println("Run all processes!");
System.out.println();
try
{
while(n<n2)
{
if(!cpu.isBusy())
{
if (j!=0) {process[a[j]].resume(); j--;
System.out.println("Process ["+a[j]+"] ");k++;} else
{
cpu.execute(process[n]);
System.out.println("Process ["+n+"] "); k++;
}
} else { if (j<9) {a[j]=n; j++;}
}
process[n].stop();
n++;
} System.out.println("End of stack!!!");
}
catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e) {System.out.println(" EXCEPTION! ");}
System.out.println("Percent remote processes="+(100-100*k/100)+"%" );
}
}
class CPU extends Thread
{
public CPU()
{
pr=null;
}
public void execute(Process p)
{
pr = p;
pr.start();
}
public boolean isBusy()
{
if(pr==null) return false;
if(pr.isAlive()) return true;
return false;
}
public synchronized void run()
{}
private Process pr;
}
class Process extends Thread
{
public Process(int timeMin,int timeMax)
{
timeExecution = (int)((Math.random()) * (timeMax - timeMin)) + timeMin;
}
public synchronized void run()
{
try
{
sleep(timeExecution);
}
catch (InterruptedException e)
{}
}
private int timeExecution;
}
3.2 Результати виконання програми
run:
Run all processes!
Process [0]
Process [1]
Process [10]
Process [9]
Process [8]
Process [7]
Process [6]
Process [5]
Process [4]
Process [3]
Process [2]
Process [35]
End of stack!!!
Percent remote processes=88%
4. ВИСНОВОК
На цій лабораторній роботі я ознайомився з особливостями формування та обслуговування процесів. Програмно реалізував обслуговування однієї черги процесів одним процесором.
17.10.2012 19:10-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора