Programando con Hilos de Windows* Intel Software College.

Programando con Hilos de Windows*

Intel Software College

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Programming with Windows Threads

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Objetivos

Al término de este módulo, será capaz de:

• Escribir programas para crear y terminar hilos

• Usar objetos de sincronización para coordinar la ejecución entre hilos y accesos a memoria

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Agenda

Explorar las funciones del API para hilos en Win32

• Crear hilos

• Esperar que los hilos terminen

• Sincronizar acceso compartido entre hilos

Prácticas para experiencia práctica

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Windows* tipo HANDLE

Cada objeto de windows es referenciado por variables de tipo HANDLE

• Apuntador a objetos del kernel

• Hilo, proceso, archivo, evento, mutex, semáforo, etc.

Las funciones para crear objetos devuelven un HANDLE

Los objetos se controlan a través de su HANDLE

• No se manipulan directamente los objetos

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Creación de Hilos en Windows*

HANDLE CreateThread(

LPSECURITY_ATTRIBUTES ThreadAttributes,

DWORD StackSize,

LPTHREAD_START_ROUTINE StartAddress,

LPVOID Parameter,

DWORD CreationFlags,

LPDWORD ThreadId ); // Out

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LPTHREAD_START_ROUTINE

CreateThread() espera un apuntador a una función global

• Devuelve DWORD

• Convención de llamadas de WINAPI

• Un solo parámetro LPVOID (void *)

El hilo inicia la ejecución de la función

DWORD WINAPI MyThreadStart(LPVOID p);

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Usando Hilos Explícitamente

Identifica porciones de código a paralelizar

Encapsula código en una función

• Si el código ya es una función, una función de un driver puede necesitar ser escrita para coordinar el trabajo de varios hilos

Añadir la llamada CreateThread para asignar hilos para ejecutar la función

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Destruyendo Hilos

Libera recursos del SO

• Limpia si se terminó el trabajo con el hilo antes de que el programa termine

La terminación del proceso lo hace

BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

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Ejemplo: Creación de Hilos

#include <stdio.h>

#include <windows.h>

DWORD WINAPI helloFunc(LPVOID arg ) {

printf(“Hello Thread\n”);

return 0;

}

main() {

HANDLE hThread =

CreateThread(NULL, 0, helloFunc,

NULL, 0, NULL );

}

¿Qué Sucede?¿Qué Sucede?

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Explicación del Ejemplo

El hilo principal es un proceso

Cuando el proceso termina, todos los hilos terminan

Se requiere algún método para esperar que un hilo termine

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#include <stdio.h>

#include <windows.h>

BOOL threadDone = FALSE ;

DWORD WINAPI helloFunc(LPVOID arg ) {

printf(“Hello Thread\n”);

threadDone = TRUE ;

return 0;

}

main() {

HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, helloFunc,

NULL, 0, NULL );

while (!threadDone);

}

Esperando un Hilo de Windows*

No es una buena idea! No es una buena idea!

// ciclos desperdiciados!// ciclos desperdiciados!

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Esperando un Hilo

Espera un objeto (hilo)

DWORD WaitForSingleObject(

HANDLE hHandle,

DWORD dwMilliseconds );

El hilo creador de hilos espera (bloqueado) hasta • El tiempo expira

• Regresa un código para indicarlo

• El hilo sale (se le indica al manejador)• Usa INFINITE para esperar hasta la terminación del hilo

No usa ciclos del CPU

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Esperando Muchos Hilos

Espera hasta 64 objetos (hilos)

DWORD WaitForMultipleObjects(

DWORD nCount,

CONST HANDLE *lpHandles, // arreglo

BOOL fWaitAll, // espera uno o todos

DWORD dwMilliseconds)

Espera a todos: fWaitAll==TRUE

Espera a cualquiera: fWaitAll==FALSE

• El valor de retorno es el primer índice del arreglo encontrado

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Detalles en las funciones WaitFor*

Descriptor (Handle) como parámetro

Usado para diferentes tipos de objetos

Los objetos del kernel tienen dos estados

• Signaled

• Non-signaled

El comportamiento se define por el objeto referido por el manejador

• Hilo: signaled indica terminado

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Ejemplo: Varios Hilos

#include <stdio.h>#include <windows.h>const int numThreads = 4;

DWORD WINAPI helloFunc(LPVOID arg ) { printf(“Hello Thread\n”); return 0; }

main() { HANDLE hThread[numThreads]; for (int i = 0; i < numThreads; i++) hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, helloFunc, NULL, 0, NULL ); WaitForMultipleObjects(numThreads, hThread,

TRUE, INFINITE);

}

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Activdad 1 - “HelloThreads”

Modifica el ejemplo previo para para mostrar

• El mensaje “Hello Thread” apropiaido

• Número de hilo único• Usa el la variable del ciclo for del CreateThread

Salida ejemplo:

Hello from Thread #0




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¿Qué es Incorrecto?

¿Qué se muestra en myNum?

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID pArg) { ) { int* p = (int*)pArg;int* p = (int*)pArg; int myNum = *p; printf( “Thread number %d\n”, myNum);}}. . .. . .// from main():// from main():for (int i = 0; i < numThreads; i++) {for (int i = 0; i < numThreads; i++) { hThread[i] = hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, threadFunc, &i, 0, NULL);CreateThread(NULL, 0, threadFunc, &i, 0, NULL);}}

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for(int i=0;i<numThreads;i++) { CreateThread(NULL, 0, threadFunc, &i, 0, NULL);CreateThread(NULL, 0, threadFunc, &i, 0, NULL);

}

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID pArg) { ) { int* p = (int*)pArg;int* p = (int*)pArg; int myNum = *p; printf( “Thread number %d\n”, myNum);}}

i=0x0001004

pArg=0x0001008

p=0x000100C

mynum=0x0001010

0

0x0001004

1

1

1

Contenido de la dirección 0x0001004Contenido de la dirección 0x0001004

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Línea de Tiempo Hello “Threads”

Tiempo main Thread 0 Thread 1

T0 i = 0 --- ----

T1 create(&i) --- ---

T2 i++ (i == 1) launch ---

T3 create(&i) p = pArg ---

T4 i++ (i == 2) myNum = *p

myNum = 2

launch

T5 wait print(2) p = pArg

T6 wait exit myNum = *p

myNum = 2

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Condiciones de Concurso

Varios hilos acceden la misma variable de manera concurrente

• Conflicto Lectura/Escritura

• Conflicto Escritura/Escritura

El error más común en programas concurrentes

No siempre es obvio

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¿Cómo Evitar Condiciones de Concurso?

El alcance de las variables local en los hilos

• Variables declaradas dentro de las funciones de los hilos

• Se almacenan en el stack del hilo

• TLS (Thread Local Storage)

Controla el acceso compartido con regiones críticas

• Exclusión mutua y sincronización

• Lock, semáforo, evento, sección crítica, mutex …

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Solución – Almacenamiento “Local”

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID pArg) ) { { int myNum = *((int*)pArg)(int*)pArg); printf( “Thread number %d\n”, myNum);}}. . .. . .

// from main():// from main():for (int i = 0; i < numThreads; i++) {for (int i = 0; i < numThreads; i++) { tNum[i] = i;tNum[i] = i; hThread[i] = hThread[i] = CreateThread(NULL, 0, threadFunc, CreateThread(NULL, 0, threadFunc, &tNum[i]&tNum[i], , 0, NULL);0, NULL);}}

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Windows* Mutexes

Objeto del kérnel que se referencía por un descriptor

“Signaled” cuando está disponible

Operaciones:

• CreateMutex(…) // crear nuevo

• WaitForSingleObject // wait y lock

• ReleaseMutex(…) // unlock

Disponible entre procesos

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Sección Crítica en Windows*

Ligero, entre procesos solo mutex

El más útil y más usado

Nuevo tipo• CRITICAL_SECTION cs;

Operaciones de crear y destruir

• InitializeCriticalSection(&cs)

• DeleteCriticalSection(&cs);

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Sección Crítica en Windows*

CRITICAL_SECTION cs ;

Intenta entrar al código protegido

EnterCriticalSection(&cs)

• Se bloquea si otro hilo está en la sección crítica

• Regresa cuando no hay hilos en la sección crítica

Al salir de la sección crítica

LeaveCriticalSection(&cs)

• Debe ser desde el hilo que la obtiene

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Ejemplo: Sección Crítica

#define NUMTHREADS 4CRITICAL_SECTION g_cs; // ¿Por qué tiene que ser global?int g_sum = 0;

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID arg ) { int mySum = bigComputation(); EnterCriticalSection(&g_cs); g_sum += mySum; // Los hilos acceden una a la vez LeaveCriticalSection(&g_cs); return 0;}main() { HANDLE hThread[NUMTHREADS]; InitializeCriticalSection(&g_cs); for (int i = 0; i < NUMTHREADS; i++) hThread[i] = CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,NULL); WaitForMultipleObjects(NUMTHREADS, hThread, TRUE, INFINITE); DeleteCriticalSection(&g_cs);}

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Ejemplo de Integración Numérica

4.0

2.0

1.00.0

4.0

(1+x2)f(x) =

4.0

(1+x2) dx = 0

1

X

static long num_steps=100000; double step, pi;

void main(){ int i; double x, sum = 0.0;

step = 1.0/(double) num_steps; for (i=0; i< num_steps; i++){ x = (i+0.5)*step; sum = sum + 4.0/(1.0 + x*x); } pi = step * sum; printf(“Pi = %f\n”,pi);}}

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Actividad 2 - Calculando Pi

Paraleliza la integración numérica usando hilos de Windows*

Como pueden las iteraciones de los ciclos dividirse entre los hilos

¿Qué variables pueden ser locales?

¿Qué variables necesitan ser visibles a todos los hilos?

static long num_steps=100000; double step, pi;

void main(){ int i; double x, sum = 0.0;

step = 1.0/(double) num_steps; for (i=0; i< num_steps; i++){ x = (i+0.5)*step; sum = sum + 4.0/(1.0 + x*x); } pi = step * sum; printf(“Pi = %f\n”,pi);}}

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Eventos de Windows*

Usados para enviarle a otros hilos señales de que ha ocurrido un evento

• Ejemplo: los datos están disponibles, el mensaje está listo

Los hilos esperan señales con la función WaitFor*

Dos tipos de eventos

• Auto-reset

• Manual-reset

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Tipos de Eventos

El sistema automáticamente resetea el evento al estado non-signaled después de que un hilo es liberado

El evento permanece en estado signaled y requiere que una función ResetEvent establezca el estado del evento a non-signaled.

Precaución: Sea cuidadoso cuando se usa WaitForMultipleObjects para esperar TODOS los eventos

Manual-resetManual-resetAuto-resetAuto-reset

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Creación de Eventos en Windows*

HANDLE CreateEvent(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,

BOOL bManualReset, // TRUE => manual reset

BOOL bInitialState, // TRUE => begin signaled

LPCSTR lpName); // text name for object

Establecer bManualReset a TRUE para un evento “manual-reset event”; FALSE para un evento “auto-reset”

Establecer bInitialState a TRUE para que un evento inicie en estado “signaled”; FALSE para iniciar “unsignaled”

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Establecer y Reiniciar Eventos

Establecer un evento a un estado signaled

BOOL SetEvent( HANDLE event );

Reiniciar un evento manualmente

BOOL ResetEvent( HANDLE event );

Pulsar evento

BOOL PulseEvent( HANDLE event );

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Ejemplo: Un Hilo Buscador

Un hilo creado busca un elemento

• Manda una señal si el elemento se encuentra

El hilo principal (Main Thread) espera la señal y terminación del hilo

• Muestra un mensaje si el elemento se encuentra

• Muestra mensaje hasta la terminación del hilo

Ilustra

• Usando el tipo HANDLE genérico

• No esperar que cada objeto haga un signal

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Eejemplo: Eventos

DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID arg) { BOOL bFound = bigFind() ;

if (bFound) { SetEvent(hObj[0]); // señal, el dato fue encontrado bigFound() ; }

moreBigStuff() ; return 0;}

HANDLE hObj[2]; // 0 es evento, 1 es hilo

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Ejempo: Función Principal

. . .

hObj[0] = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);

hObj[1] = CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,NULL);

/* Hacer otra cosa mientras el hilo realiza la búsqueda */

DWORD waitRet =

WaitForMultipleObjects(2, hObj, FALSE, INFINITE);

switch(waitRet) {

case WAIT_OBJECT_0: // señal del evento

printf("found it!\n");

WaitForSingleObject(hObj[1], INFINITE) ;

//

case WAIT_OBJECT_0+1: // señal del hilo

printf("thread done\n");

break ;

default:

printf("wait error: ret %u\n", waitRet);

break ;

}

. . .

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Ejempo: Función Principal

. . .hObj[0] = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);

hObj[1] = CreateThread(NULL,0,threadFunc,NULL,0,NULL);

/* Do some other work while thread executes search */

DWORD waitRet =

WaitForMultipleObjects(2, hObj, FALSE, INFINITE);

switch(waitRet) { case WAIT_OBJECT_0: // señal del evento printf(“encontrado!\n"); WaitForSingleObject(hObj[1], INFINITE) ; // fall thru case WAIT_OBJECT_0+1: // señal del hilo printf(“hilo terminado\n"); break ; default: printf("wait error: ret %u\n", waitRet); break ; }

. . .

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Actividad 3 – Usando Eventos

Remplazar el spin-wait y la variable contador de hilos con eventos para enviar señal de terminación de hilo de la pieza computacional

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Semáforos de Windows*

Objetos de sincronización que contienen un contador

• Representa el número de recursos disponibles

• Formalizados por Edsger Dijkstra (1968)

Dos operaciones en los semáforos

• Wait [P(s)]: El hilo espera hasta que s > 0, entonces s = s-1

• Post [V(s)]: s = s + 1

El semáforo está en estado signaled si el contador > 0

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Win32* Creación de Semáforos

HANDLE CreateSemaphore(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,

LONG lSemInitial, // Initial count value

LONG lSemMax, // Maximum value for count

LPCSTR lpSemName); // text name for object

Valor de lSemMax debe ser 1 o mayor

Valor de lSemInitial debe ser • Mayor o igual a cero,

• Menor o igual que lSemMax, y

• No puede estar fuera del rango

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Operaciones Wait y Post

Usa WaitForSingleObject para esperar en un semáforo• Si el contador es == 0, el hilo espera

• Decrementa el contador en 1 cuando el contador > 0

Incrementa el semáforo (Operación Post)

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSemaphore,

LONG cReleaseCount,

LPLONG lpPreviousCount );

• Incrementa el contador del semáforo según el valor de cReleaseCount

• Devuelve el valor previo del contador a través de lpPreviousCount

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Aplicaciones de los Semáforos

Controlar el acceso a estructuras de datos de tamaño limitado

• Colas, stacks, deques

• Usa un contador para enumerar elementos disponibles

Controla el acceso a un número finito de recursos

• Descriptores de archivos, unidades de cinta, …

Regula la cantidad de hilos activos dentro de una región

Un semáforo binario [0,1] puede funcionar como un mutex

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Cuidados con el uso de Semáforos

No hay propietario del semáforo

Cualquier hilo puede liberar un semáforo, no solo el ultimo hilo que realizó el wait

• Usar una buena práctica de programación para evitar esto

No existe el concepto de semáforo abandonado

• Si el hilo termina antes de realizar la operación post, se pierde el incremento del semáforo

• Deadlock

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Ejemplo: Semáforo como Mutex

El hilo principal abre el archivo de entrada, espera la terminación del hilo

Los hilos

• Leen la línea del archivo de entrada

• Cuentan todas las palabras de cinco letras en una línea

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Ejemplo: Principal

main(){ HANDLE hThread[NUMTHREADS];

hSem1 = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL); // Binary semaphore hSem2 = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL); // Binary semaphore

fd = fopen(“InFile”, “r”); // Open file for read

for (int i = 0; i < NUMTHREADS; i++) hThread[i] = CreateThread(NULL,0,CountFives,NULL,0,NULL);

WaitForMultipleObjects(NUMTHREADS, hThread, TRUE, INFINITE); fclose(fd);

printf(“Number of five letter words is %d\n”, fiveLetterCount);}

HANDLE hSem1, hSem2;FILE *fd; int fiveLetterCount = 0;

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Ejemplo: Semáforos

DWORD WINAPI CountFives(LPVOID arg) { BOOL bDone = FALSE ; char inLine[132]; int lCount = 0;

while (!bDone) { WaitForSingleObject(hSem1, INFINITE); // accede la entrada bDone = (GetNextLine(fd, inLine) == EOF); ReleaseSemaphore(hSem1, 1, NULL); if (!bDone) if (lCount = GetFiveLetterWordCount(inLine)) { WaitForSingleObject(hSem2, INFINITE);//actualiza var fiveLetterCount += lCount; ReleaseSemaphore(hsem2, 1, NULL); } }}

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Actividad 4 – Usando Semáforos

Usar semáforos binarios para controlar el acceso a variables compartidas

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Programando con Hilos de WindowsQue se ha Cubierto

Crear hilos para ejecutar trabajo encapsulado dentro de funciones

Lo normal de esperar hilos para terminar

Coordinar acceso compartido entre hilos para evitar condiciones de concurso

• Almacenamiento local para evitar concursos

• Objetos de sincronización para organizar el uso

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Date post:	22-Apr-2015
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