SD_aula_03_Processos

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Universidade Federal de Ouro Preto
Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas - ICEA
Professor: Theo Lins
Disciplina: SD
Processos Distribuídos
Capítulo 3 - Aula 3
Threads
 Threads em SDs
Processos Clientes
Processos Servidores
 Processos
Um processo é um programa em execução, ou melhor, um 
ambiente onde se executa um programa.
P r o g r a m a
C o n t e x t o d e
S o f t w a r e
C o n t e x t o d e
H a r d w a r e
E s p a ç o d e
E n d e r e ç a m e n t o
Processos
 Em sistemas tradicionais, cada processo possui o seu próprio 
espaço de endereçamento e um único fluxo de execução.
 No entanto, em alguns casos e desejável haver diversos fluxos de 
execução compartilhando um único espaço de endereçamento, 
ou seja, numa mesma região de memória.
 Único fluxo de execução implica em obrigar o servidor de 
arquivos esperar por requisições feitas ao disco. O fluxo de 
execução que fez a requisição é bloqueado aguardando a 
resposta. Isso implica em...
PERDA DE DESEMPENHO
Processos
 
P r o g r a m a
C o n t e x t o d e
S o f t w a r e
p r i o r i d a d e d e
e x e c u ç ã o r e g i s t r a d o r P C
d a t a / h o r a
d e c r i a ç ã o
t e m p o d e
p r o c e s s a d o r
r e g i s t r a d o r S P
q u o t a s
p r i v i l é g i o s
e n d e r e ç o s d e m e m ó r i a
p r i n c i p a l a l o c a d o s
r e g i s t r a d o r
d e s t a t u s
o w n e r ( U I D )
P I D
n o m e
r e g i s t r a d o r e s
g e r a i s
C o n t e x t o d e
H a r d w a r e
E s p a ç o d e
E n d e r e ç a m e n t o
Informações referentes a um processo
Processos e Threads
Quando um processo é interrompido para que outro 
processo utilize a CPU, é realizada a Troca de Contexto.
Processo A
Salva BCP de PA
Salva BCP de PB
Carrega BCP de PB
Carrega BCP de PA
executando
Processos
 Como se evitar a perda de desempenho?
 Adoção de Vários Fluxos de Execução
Se o servidor de arquivos é implementado usando 
diferentes fluxos de execução, outras requisições de 
clientes podem ser processadas, enquanto o 
primeiro fluxo aguarda a resposta do disco. 
MELHOR VAZÃO (THROUGHPUT)
PORTANTO: GANHO DE DESEMPENHO
Processos
Diferentes tipos de processos desempenham papel 
crucial em sistemas distribuídos.
Usar processos multithreading auxiliam em melhoria 
de desempenho em sistemas cliente-servidor
Processos e Threads
Num sistema multithread, cada thread do processo 
possui o seu contexto de hardware e software (pois 
uma thread “disputa” a CPU com as outras threads 
e processos).
 A diferença com os sub processos é que todas as 
threads de um processo compartilham o mesmo 
espaço de endereçamento (gerando concorrência 
entre as threads).
Processos e Threads
Contexto
de hardware
Contexto
de hardware
Contexto
de hardware
Espaço de
endereçamento
C
on
te
xt
o 
d
e
so
ft
w
ar
e
Thread 3Thread 2Thread 1
Processos e Threads
Espaço de
endereçamento
Programa Principal
C
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C
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Call Sub_1
Call Sub_2
Thread_1
Thread_2
Thread_3
PC
SP
PC
SP
PC
SP
Fim
Sub_2
Variáveis
Ret
Sub_1
Ret
..
.
..
.
Paralelismo
Se cada thread for executada em uma CPU distinta, 
todo processo funcionará mais rapidamente. Se o 
paralelismo for real ambas as threads poderão ser 
executadas na mesma CPU de forma transparente, 
somente o desempenho do programa é que cairá.
Paralelismo
Modelo esquemático
Threads em Sistemas não Distribuídos
Evitar que, ao se executar uma chamada bloqueadora, o 
processo seja bloqueado como um todo!
E/S
CPU
tempo
E/S
CPU
tempo
Implementação de Thread
Existem basicamente duas abordagens:
Construir uma biblioteca de threads que é 
executada inteiramente em modo usuário:
 Criar e terminar threads é barato;
 Escalonamento é feito internamente;
 Uma chamada bloqueadora bloqueia todo o processo.
Fazer com que o núcleo fique ciente dos threads e 
os escalone
 Criar e terminar threads tem alto custo;
 Escalonamento feito pelo S.O.;
 Chamada bloqueadora bloqueia apenas o thread
Implementação de Thread LWPs
Abordagem híbrida: LWP (Lightweight Process)
 Executa em um único contexto (pesado);
 Vários LWPs por processo;
 Todas operações em threads são realizadas sem 
intervenção do núcleo;
 Sincronização entre LWPs não requer intervenção do 
núcleo;
 Uma chamada bloqueante bloqueia um LWP, mas não os 
outros LWPs, que compartilham a tabela de threads 
entre si.
Threads em SDs
Proporcionam um meio conveniente para permitir 
chamadas bloqueadoras de sistema sem bloquear o 
processo inteiro no qual o thread está executando;
Imagine um processo monothread: O que aconteceria com 
o processo quando a interrupção da placa de rede é feita 
para envio/recebimento de dados?
Threads em SDs
Em sistemas distribuídos, a utilização de threads é 
atrativa dado que facilitam muito a comunicação → 
possibilidade de manter múltiplas conexões lógicas ao 
mesmo tempo
Exemplo: Uma aplicação P2P, onde é necessário 
receber informações dos vizinhos, processar algum 
algoritmo de decisão de mudança de topologia e atender 
novas requisições
Threads em SDs
Ilustração através da Arquitetura
Cliente-Servidor
 
Clientes Multithreads
Conforme vimos, sistemas distribuídos que operam 
em redes de grandes distância, devem buscar 
algum mecanismo de ocultar a latência de obtenção 
de informações → Transparência!
Consideremos um cliente Web...
Como implementar multithreading?
Clientes Multithreads
Em um browser Web...
Um documento Web consiste em um grande 
número de objetos
A busca de cada objeto de uma página HTML será 
feita após estabelecimento de uma conexão TCP
Estabelecimento e leitura de dados são operações 
bloqueadoras
Clientes Multithreads
Em um browser Web...
Com uma conexão persistente com paralelismo:
 Requisições são feitas sem que os objetos precedentes 
tenham chegados no cliente
 Cliente é capaz de manipular diversos fluxos em paralelo → 
Threads
Clientes Multithreads
Caso os dados estejam espalhados por diversas 
réplicas de servidores ...
 A utilização de threads possibilita os clientes 
estabelecerem diversas conexões, em paralelo, com 
o objetivo de disponibilizar um único documento
Servidores Multithreads
Servidor Multithread no modelo despachante/operário
Servidores Multithreads
 Para suportar e possibilitar um melhor desempenho 
de clientes WEB multithreading, servidores WEB 
devem ser implementados para suportar múltiplas 
conexões de diferentes (ou dos mesmos) usuários.
Servidores
Clientes
Proporcionar aos usuários meios de interagir com 
servidores remotos
Cliente possui uma aplicação sendo executada para 
cada serviço remoto
Cliente possui acesso direto a serviços remotos 
usando apenas uma interface de usuário
Clientes
Clientes
Cliente possui uma aplicação sendo executada para 
cada serviço remoto
Exemplo: Agenda sendo executada no PDA de um 
usuário e que precisa entrar em sincronia com uma 
agenda remota, possivelmente compartilhada
Clientes
Cliente possui acesso direto a serviços remotos 
usando apenas uma interface de usuário
Exemplo: Máquina cliente não possui nenhuma 
informação para processamento, tornando-a 
independente da aplicação → clientes minimizados 
→ facilidade de gerenciamento do sistema
Clientes – Sistema X Window (1/4)
 Desenvolvido em 1984 no MIT, é uma das 
interfaces de usuário em rede mais utilizadas
 
Usado para controlar terminais mapeados em bits
 Servidor distribui as ações de entrada do usuário 
(mouse e teclado) e aceita pedidos de saída através 
de vários programas clientes
Clientes – Sistema X Window (2/4)
Pode ser visto como a parte de um SO que controla 
o terminal
Oferece uma interface de nível relativamente baixo, 
para controlar a tela e para capturar os eventos do 
teclado e do mouse → biblioteca Xlib
Arquitetura Cliente-Servidor: núcleo X receberequisições vindas de diversas aplicações sendo 
executadas.
Gerenciador de janelas: determina a aparência geral 
do visor
Clientes – Sistema X Window (3/4)
Clientes – Sistema X Window (4/4)
Clientes podem rodar de forma transparente em 
máquinas diferentes → protocolo X de comunicação
Uma instância de Xlib pode trocar dados e eventos 
com o núcleo X
Xlib pode enviar requisições ao núcleo X para criar 
ou encerrar uma janela, estabelecer cores
O núcleo X reagirá a eventos locais (entrada de 
teclado e mouse)
Servidores
Questões gerais de projeto
 Iterativo ou Concorrente?
 Para onde os clientes enviam requisições?
 Como encerrar um serviço?
 Manter ou não o estado de um cliente?
Servidores
Iterativo ou Concorrente?
 Iterativo: O servidor é implementado através de um processo 
único, retirando a requisição do cliente e tratando-a
 Concorrente: O ´processo servidor´ não manipula a requisição 
propriamente dita, mas a passa para uma thread separada ou 
um outro processo.
Servidores
Para onde os clientes enviam requisições?
 Requisições são enviadas a um processo servidor através de 
uma porta
 Para alguns serviços, são atribuídas portas padrão: HTTP 80, 
FTP 21, SSH 22
 Em alguns casos, pode-se implementar um daemon, que 
´escuta´ uma porta conhecida e redireciona a requisição para 
a porta do serviço
 No caso Unix, inetd
Servidores
Para onde os clientes enviam requisições?
Servidores
Como encerrar um serviço?
 Considere um usuário transmitindo um arquivo via ftp e que 
decide interromper o servidor para cancelar a transferência
 Servidor encerra, após um tempo, a conexão
 Servidor possui uma conexão de controle
 Servidor trata, em uma mesma conexão, dados urgentes
Servidores
Manter ou não o estado de um cliente?
 Servidor sem estado: Não mantém informações sobre os 
estados de seus clientes e pode mudar o seu estado sem ter 
que informar a nenhum cliente
 Exemplos: Servidor Web, Servidor de arquivos
Servidores
Manter ou não o estado de um cliente?
 Servidor sem estado: Em alguns casos, servidores Web 
podem guardar informações dos clientes
 Podemos ter um servidor sem estado, que guarde 
informações de clientes, MAS ESTAS INFORMAÇÕES NÃO 
SÃO ESSENCIAIS PARA O FUNCIONAMENTO!!!
Servidores
Manter ou não o estado de um cliente?
 Servidor com estado: Mantém informações persistentes sobre 
os seus clientes.
 Exemplo: servidor de arquivos que permite um cliente manter 
cópia local de um arquivo → servidor guarda os clientes que 
têm permissão de mudanças no arquivo antes de atualizá-lo 
no localmente
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