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PONNHI Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario

PONNHI Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario. José Manuel Rodríguez García Juan A. Rico Gallego Jesús M. Álvarez Llorente Juan Carlos Díaz Martín. Departamento de Informática Universidad de Extremadura. PONNHI. 1. Motivación y objetivos.

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PONNHI Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario

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  1. PONNHIUna Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario José Manuel Rodríguez García Juan A. Rico Gallego Jesús M. Álvarez Llorente Juan Carlos Díaz Martín Departamento de Informática Universidad de Extremadura

  2. PONNHI 1. Motivación y objetivos. 2. Principios de diseño. 3. La interfaz de PONNHI. 4. El microkernel. 5. Los servidores. 6. Gestión de señales POSIX. 7. La cancelación. 8. Pruebas de rendimiento. 9. Conclusiones y trabajo futuro. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  3. 1. Motivación y objetivos 1. Motivación y objetivos • FSU Pthreads es una extendida implemen-tación de threads POSIX 1003.1c (núcleo de ejecución de ADA 95). • Tiene una estructura monolítica. • Es robuto y bastante completo. • Nuestra expericiencia con su código fuente (Champollion, VíTReOS) nos demuestra que es demasiado complejo. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  4. 1. Motivación y objetivos • Otras librerías semejantes, todas POSIX, todas monolíticas: • PTL. Portable Threads Library. • GNU Pth. The GNU Portable Threads. • Provenzano threads. • LinuxThreads. • Pretendemos construir una nueva librería POSIX, pero microkernel: PONNHI. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  5. 2. Principios de diseño 2. Principios de diseño • Diseño inspirado en Minix. • Dos elementos principales: • Servidores de threads proporcionan a los hilos cliente las funcionalidades Pthreads. • El microkernel soporta el paso de mensajes y la planificación • Las primitivas Pthreads se transforman en paso de mensajes a los servidores a través del núcleo. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  6. 2. Principios de diseño PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  7. 2. Principios de diseño • Los hilos de aplicación componen mensajes para el hilo del núcleo. • El hilo del núcleo lo traspasa al servidor adecuado. • Los hilos servidores realizan los trabajos solicitados. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  8. 2. Principios de diseño • El hilo del núcleo es un hilo más (con su propio contexto). • Es un diseño modular: es fácil separar las funcionalidades de Pthreads. • Es un diseño flexible: es más fácil añadir servicios que en un modelo monolítico. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  9. 3. La interfaz de PONNHI 3. La interfaz de PONNHI • Todas las primitivas Pthreads de los hilos de aplicación se traducen a primitivas send_rec: • Los servidores aceptan mensajes mediante la primitiva receive: • Bloqueo de threads hasta la cita. void send_rec(int dst, mess_t *mess) void receive (int src, mess_t *mes) PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  10. 3. La interfaz de PONNHI • Ejemplo: pthread_create. int pthread_create(pthread_t *thread, pthread_attr_t *attr, pthread_func_t func, any_t arg ) { mess_t mess; mess.operation = CREATE_THREAD; mess.arg.mes_1.t = thread; mess.arg.mes_1.attr = attr; mess.arg.mes_1.func = func; mess.arg.mes_1.arg = arg; send_rec(1, &mess); /* Server 1 */ ... } PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  11. 3. La interfaz de PONNHI • Los servidores solicitan planificación al núcleo mediante send_rec. • No existe la primitiva send: nunca se hace sin receive. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  12. 4. El microkernel 4. El microkernel • Tres funciones: • Entregar mensajes • Planificar los hilos • Manejar las señales POSIX • Es el único autorizado para planificar. • Nunca se planifica: sólo se ejecuta cuando recibe mensajes de otros hilos (invocación directa por salto largo). PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  13. 4. El microkernel • La planificación de un hilo se hace invocando restore_context(descriptor_thread). • Previamente se guarda el contexto mediante save_context(descriptor_thread). Como PC la dirección de retorno de send_rec void send_rec(mess_t *mess) { is_in_kernel = TRUE; save_context(kernel.pthread_self); *(servers[KERNEL]->mens) = mess; restore_context(servers[KERNEL]); } PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  14. void sched() { while(ready.head == NULL) if (pending == TRUE) mess_signal(); kernel.pthread_self = ready.head; kernel.pthread_self->state|=S_RUNNING; kernel.pthread_self->state&=~S_RECEIVING; is_in_kernel=FALSE; restore_context(kernel.pthread_self); } void sched_wait(int from, mess_t *mess) { save_context(servers[KERNEL]); servers[KERNEL]->mess= mess; sched(); } 4. El microkernel • La función principal del núcleo es kernel_f: void kernel_f() { mess_t *mess; while (1) { sched_wait(ANY, &mess) switch(mess.operation) { case 1: ... break; ... case n: ... break; } } } PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  15. 5. Los servidores 5. Los servidores • Proporcionan los servicios Pthread. • ¿Cuántos hacen falta? • Cuantos menos, menos paso de mensajes. • Cuantos menos, más monolítico. • Según criterios funcionales, 4 servidores: • Servidor de gestión de hilos • Servidor de mecanismos de sincronización • Servidor de señales POSIX • Servidor de datos específicos • Se PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  16. 5. Los servidores • Tienen una estructura semejante al núcleo. server_POSIX_SIGNALS() { mess_t *mensaje; init_signals(); do { receive(ANY, &mess); switch (mess->operation) { case SIGACTION: .... break; ... case PTHREAD_KILL: ... break; ... } } while (1); } PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  17. 6. Gestión de señales POSIX 6. Gestión de señales POSIX • El servidor de señales instala el manejador universal de señales para todas las señales POSIX. • Se redefine sigaction() para que no invoque al S.O., sino que envíe un mensaje al servidor de señales. • El servidor de señales anota los manejadores que establecen los hilos. • Cuando llega una señal, el manejador universal envía un mensaje al núcleo para que se lo pase al servidor de señales y éste la distribuya de la forma adecuada. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  18. void sig_send(int sig, siginfo_t *siginfo, void *sigcontext) { mess_t mess; mess.operation = SIGNAL; mess.type = 0; mess.arg.mes_8.sig = sig; mess.arg.mes_8.siginfo = siginfo; mess.arg.mes_8.sigcontext = sigcontext; mess.arg.mes_8.t = kernel.pthread_self; (*(servers[KERNEL]->mess)) = &mess; restore_context(servers[KERNEL]); } 6. Gestión de señales POSIX • El manejador universal de señales: void sigcatch(int sig, siginfo_t *siginfo, void *sigcontext) { if(!is_in_kernel) { is_in_kernel = TRUE; save_context(kernel.pthread_self); sig_send(sig, siginfo, sigcontext); } else { sigaddset(&pending_signals,sig); pending=TRUE; } } PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  19. 7. La cancelación 7. La cancelación • Un hilo puede ordenar la cancelación de otro. • Un hilo puede aceptar o no la cancelación, en función de su estado. • El servidor modifica el contexto del hilo cancelado para que cuando se reanude pase por handle_cancel. • Si acepta la cancelación, finaliza. • Si la rechaza, quedará pendiente hasta que cambie su estado. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  20. 8. Pruebas de rendimiento 8. Pruebas de rendimiento • Comparamos PONNHI con 3 librerías monolíticas. • Hacemos 5 tests: • Test 1: 100.000 cambios de contexto entre 2 hilos. • Test 2: 100.000 bloqueos/liberaciones de mútex. • Test 3: 10.000 sincronizaciones en variable de condición entre 2 hilos. • Test 4: 10.000 sincronizaciones sigwait/pthread_kill entre 2 hilos. • Test 5: Creación de 1000 hilos. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  21. 8. Pruebas de rendimiento 4 cambios de contexto frente a la modificación de una variable PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  22. 9. Conclusiones y trabajo futuro 9. Conclusiones y trabajo futuro • Es posible construir Pthreads con arquitectura microkernel. • Los servicios básicos ya funcionan • Trabajamos en características avanzadas como herencia de prioridad y techo de prioridad. • Conviene mejorar el rendimiento en lo posible. • PONNHI es manejable. Lo estamos portando a Minix y microcontrolador HITACHI. • Objetivo: que sirva de base para Ada95. PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

  23. Agradecimientos Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por los proyectos FEDER II S742-F96, “Servidor escalable de reconocimiento de voz” y CICYT nº TIC99-0960, “Diseño e Implementación de Algoritmos de Procesado de Señal de Altas Prestaciones para Reconocimiento de Voz en Condiciones Adversas” Ruegos y preguntas PONNHI. Una Nueva Arquitectura Microkernel Pthreads en Espacio de Usuario - XIII Jornadas de Paralelismo - Lleida, septiembre de 2002

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