Aplicaciones Multi-Threads-I

Aplicaciones Multi-Threads-IAplicaciones Multi-Threads-I

ErnestoErnesto CuadrosCuadros-V-Vargasargas

[email protected]@spc.org.pe

Sociedad Peruana de ComputaciónSociedad Peruana de Computación

PerúPerú

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2Ernesto Cuadros-Vargas SPC

Organización de la presentaciónOrganización de la presentación Conceptos Básicos;Conceptos Básicos; Operaciones con hebras;Operaciones con hebras; Tipos de hebras;Tipos de hebras; Comunicación entre hebras;Comunicación entre hebras; Fibras;Fibras; Otros puntos importantes;Otros puntos importantes; DEMOS;DEMOS; Sugerencias y conclusiones.Sugerencias y conclusiones.

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Conceptos básicosConceptos básicos

programaprograma programa = algoritmos + ED;

procesoproceso abstracción de un programa en ejecución;

hebras o threadshebras o threads secuencia de ejecución de un proceso;

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Programa-Proceso-HebraPrograma-Proceso-Hebra

011011111010

Memoria

cargador

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Programación Multi-Threads Programación Multi-Threads

crear programas capaces de ejecutar crear programas capaces de ejecutar más de una tarea en paralelo;más de una tarea en paralelo;

las hebras pueden estar en el mismo las hebras pueden estar en el mismo proceso;proceso;

estamos preparados para aprovechar estamos preparados para aprovechar mas de un procesador.mas de un procesador.

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Origen de las hebras Origen de las hebras

Tiem

po

Proceso 1

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Origen de las hebras (cont) Origen de las hebras (cont)

Tiem

po

P2 P1

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Algunos ejemplosAlgunos ejemplos

manejadores de Bases de Datos;manejadores de Bases de Datos; servidores de Web;servidores de Web; servidores de FTP;servidores de FTP; grabación en segundo plano (ej. Word);grabación en segundo plano (ej. Word); compilación sin parar la edición, etc;compilación sin parar la edición, etc; nuestra vida diaria (trabajo en grupo, nuestra vida diaria (trabajo en grupo,

tareas en paralelo).tareas en paralelo).

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EvoluciónEvolución

sistemas monotareas vs.sistemas monotareas vs.sistemas multitaskingsistemas multitasking

programas ST vsprogramas ST vsprogramas MTprogramas MT

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VentajasVentajas

mayor aprovechamiento de la mayor aprovechamiento de la capacidad ociosa del procesador;capacidad ociosa del procesador;

podemos aprovechar mas de un podemos aprovechar mas de un procesador;procesador;

mayor paralelismo;mayor paralelismo; menor tiempo de respuesta que en menor tiempo de respuesta que en

forma secuencial, etc.forma secuencial, etc.

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DesventajasDesventajas

mayor complejidad;mayor complejidad; mayor cantidad de recursos necesarios mayor cantidad de recursos necesarios

(memoria, etc);(memoria, etc); política de planificación de procesos.política de planificación de procesos.

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Cuándo usar MT ?Cuándo usar MT ?

cuando mi programa presenta bloques cuando mi programa presenta bloques independientes;independientes;

cuando tengo una pérdida de tiempo cuando tengo una pérdida de tiempo considerable por operaciones de I/O;considerable por operaciones de I/O;

NÚMERO DE PROCESADORES.NÚMERO DE PROCESADORES.

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Transicion de ST a MTTransicion de ST a MT

las hebras de ejecutan independientes las hebras de ejecutan independientes unas de las otras unas de las otras Problemas !Problemas !

sincronizaciónsincronización en el mismo proceso (sibling Threads); en procesos diferentes.

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Planificador de procesos (Scheduler)Planificador de procesos (Scheduler)

2 3

4

1

Bloqueado (Blocked)Listos (Ready)

Corriendo (Running)

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Scheduler para 2 procesadoresScheduler para 2 procesadores

P1Listos (Ready)

Corriendo (Running)

Bloqueado (Blocked)

P5 P7

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Proceso vs HebraProceso vs Hebra

una pila (una pila (StackStack); ); entrada en el

Scheduler; registros de la CPU;registros de la CPU; program counter, program counter,

etc.etc.

archivos abiertos;archivos abiertos; variables globales;variables globales; memoria asignada memoria asignada

dinamicamentedinamicamente, , etc.etc.

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Necesidad de SincronizaciónNecesidad de Sincronización

// Hebra 1 // Hebra 2(1) if( !PrinterBusy )

{(2) PrinterBusy = true;(3) MyPrint(“UNSA.txt”);

}

(1) If( !PrinterBusy ){

(2) PrinterBusy = true;(3) MyPrint(“Vitae.txt”);

}

// Hebra 1 // Hebra 2(1)

(2)

(3)

PrinterMutex.Lock();

MyPrint(“UNSA.txt”);

PrinterMutex.Unlock();

(1)

(2)

(3)




Ejemplos utilizando en la plataforma Win32Ejemplos utilizando en la plataforma Win32

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Problemas relacionados a la Problemas relacionados a la programación MTprogramación MT

Atomicidad;Atomicidad; Exclusión mutua:Exclusión mutua:

pedir un recurso, liberar el recurso

Race Conditions:Race Conditions: Un bug que depende del orden en el que

se ejecuten dos o más tareas independientes

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Atomicidad y exclusión mutuaAtomicidad y exclusión mutua



}



}


(2)

(3)




(1)

(2)

(3)




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Atomicidad (cont)Atomicidad (cont)

HANDLE hIOMutex= ::CreateMutex (NULL, FALSE, 0);

// Pedir acceso al recurso::WaitForSingleObject( hIOMutex, INFINITE );// Realizar nuestra operación crítica::fseek( fp, desired_position, 0L ); ::fwrite( data, sizeof( data ), 1, fp );

// Liberar el acceso al recurso ::ReleaseMutex(hIOMutex);

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Race ConditionsRace Conditions



}



}


(2)

(3)




(1)

(2)

(3)




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Problemas relacionados a Problemas relacionados a programación MT (cont)programación MT (cont)

Deadlock;Deadlock; Diseño de clases seguras para Diseño de clases seguras para

ambientes MT;ambientes MT; Starvation (morir de hambre)Starvation (morir de hambre)

Threads de prioridades altas siempre ganaran el procesador.

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Deadlock (bloqueo mutuo)Deadlock (bloqueo mutuo)

Hebra 1 Hebra 2

deadlock

R1 R2

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Clases seguras para ambientes MTClases seguras para ambientes MT

void MyClass::PrintHistorico(){ m_report = Historico; Imprimir();}

void MyClass::PrintHistorico(){ m_report = Historico; Imprimir();}

void MyClass::Imprimir(){ switch(m_report) { case Datos_Personales: …… break; case Datos_Personales: …… break; }}

Thread1Thread1 Thread2Thread2

void MyClass::PrintPersonalInfo(){ m_report = Datos_Personales; Imprimir();}

void MyClass::PrintPersonalInfo(){ m_report = Datos_Personales; Imprimir();}

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Mecanismos de SincronizaciónMecanismos de Sincronización

por la cantidad de estados:por la cantidad de estados: binarios, de múltiples estados.

por su alcance:por su alcance: dentro del mismo proceso, entre procesos.

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Por la cantidad de estadosPor la cantidad de estados

binariosbinarios Events (CEvent), CriticalSection (CCriticalSection), Mutex (CMutex).

de múltiples estados:de múltiples estados: Semáforos (CSemaphore)

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Por su alcancePor su alcance

dentro del mismo proceso:dentro del mismo proceso: CriticalSection

entre procesos:entre procesos: Event, Mutex, Semáforos,

también sirven en el mismo proceso.

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Entre procesosEntre procesos

Semáforo “Impresion”

Handle(7)

Semáforo “Impresion”

Handle(35)

Proceso 1 Proceso 2

Win32Win32Semaphore “Impresion” Kernel Object

Usage Counter=2More information ….

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Tipos de hebrasTipos de hebras

worker threadsworker threads o hebras trabajadoras; o hebras trabajadoras; hebras con interface de usuario.hebras con interface de usuario.

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Worker ThreadWorker Thread

para tareas en background o en para tareas en background o en segundo plano;segundo plano;

cuando no necesitamos enviar o recibir cuando no necesitamos enviar o recibir mensajes a través de ventanas; mensajes a través de ventanas;

no es necesario interactuar con la no es necesario interactuar con la hebra.hebra.

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Pasos para crear una Worker ThreadPasos para crear una Worker Thread

programar una función que será al programar una función que será al “main” de la hebra,“main” de la hebra,

crear la hebra propiamente dicha con crear la hebra propiamente dicha con alguna de las funciones API alguna de las funciones API (CreateThread, _beginthread)(CreateThread, _beginthread)

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Paso 1: Programar una función que Paso 1: Programar una función que será el “main” de la hebraserá el “main” de la hebra

DWORD WINAPI MyThreadMain(LPVOID lpParameter)

{

CStudent *pMyObj = (CStudent *)lpParameter;

pMyObj->MyMethod1();


.

.

.

return 0L;

}}

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Paso 2: Creación de una Thread con Paso 2: Creación de una Thread con CreateThreadCreateThread

HANDLE CreateThread(// puntero a los atributos de securidad

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,

// Tamaño inicial del Stack para esta hebra

DWORD dwStackSize,

// puntero a la función de la hebra

LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,

// argumento para la nueva hebra

LPVOID lpParameter,

// atributos de creación

DWORD dwCreationFlags,

// puntero para recibir el ID de la hebra

LPDWORD lpThreadId );

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Paso 2: Creación de una Thread con Paso 2: Creación de una Thread con CreateThread (cont)CreateThread (cont)

CStudent *pMyObj = new CStudent;

DWORD ThreadID;

HANDLE myhandle = CreateThread(

NULL, 4096,

&MyThreadMain, (LPVOID)pMyObj,

0, // CREATE_SUSPENDED

&ThreadId );

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Hebras usando C Run-Time LibraryHebras usando C Run-Time Library

void __cdecl MyThreadMain2(void *lpParameter)

{

CStudent *pMyObj = (CStudent *)lpParameter;



.

.

.

return 0L;

}}

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Paso 2: Creación de una Thread con Paso 2: Creación de una Thread con _beginthread (cont)_beginthread (cont)

unsigned long _beginthread( // Puntero a la funcion que controlará la hebravoid( __cdecl *start_address )( void * ),// Tamaño del stackunsigned stack_size,// Lista de argumentosvoid *arglist );

HANDLE handle = (HANDLE)_beginthread(& MyThreadMain2, 4096,NULL);

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Operaciones básicas con una hebraOperaciones básicas con una hebra

::WaitForSingleObject(hThread, 5); ::WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); ::SuspendThread(hThread);::SuspendThread(hThread); ::ResumeThread(hThread);::ResumeThread(hThread);

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Prioridades de una Thread Prioridades de una Thread (SetThreadPriority)(SetThreadPriority)

::SetThreadPriority(hThread, ::SetThreadPriority(hThread, THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL);THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL);

THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL;THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL;THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL;THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL;THREAD_PRIORITY_HIGHEST;THREAD_PRIORITY_HIGHEST;THREAD_PRIORITY_IDLE;THREAD_PRIORITY_IDLE;THREAD_PRIORITY_LOWEST;THREAD_PRIORITY_LOWEST;THREAD_PRIORITY_NORMAL;THREAD_PRIORITY_NORMAL;THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL.THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL.

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Prioridades para todo el procesoPrioridades para todo el proceso

::SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), ::SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), HIGH_PRIORITY_CLASS); HIGH_PRIORITY_CLASS);

HIGH_PRIORITY_CLASS;HIGH_PRIORITY_CLASS;IDLE_PRIORITY_CLASS;IDLE_PRIORITY_CLASS;NORMAL_PRIORITY_CLASS;NORMAL_PRIORITY_CLASS;REALTIME_PRIORITY_CLASS.REALTIME_PRIORITY_CLASS.

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Demo Worker ThreadsDemo Worker Threads

Break !Break !

Aplicaciones Multi-Threads-IIAplicaciones Multi-Threads-II

ErnestoErnesto CuadrosCuadros--VargasVargas



Piura-PerúPiura-Perú

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Hebras con interfaceHebras con interface

útiles cuando necesitamos enviar útiles cuando necesitamos enviar mensajes o interactuar a través de mensajes o interactuar a través de algún mecanismo visible al usuario algún mecanismo visible al usuario (generalmente una ventana)(generalmente una ventana)

existe la clase CWinThread (MFC)existe la clase CWinThread (MFC)

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Secuencia de creaciónSecuencia de creación

crear la clase heredada de crear la clase heredada de CWinThreadCWinThread (inicialmente esta vacía);(inicialmente esta vacía);BOOL CMyThread::InitInstance()

{

return TRUE;

}

crear la hebra hija;crear la hebra hija;

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Crear la hebra hijaCrear la hebra hija

void CMainFrame::OnNuevaThread()

{

// TODO: Add your command handler code here

CRuntimeClass *pRuntimeClass = RUNTIME_CLASS(CMyThread);

CMyThread *pMyThread =

(CMyThread *)pRuntimeClass->CreateObject();

pMyThread->CreateThread();

}

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Crear la hebra hija (cont)Crear la hebra hija (cont)

BOOL CMyThread::InitInstance()

{ CSingleDocTemplate* pDocTemplate = new CSingleDocTemplate(

IDR_MAINFRAME,

RUNTIME_CLASS(CTeste2Doc), // clase del documento

RUNTIME_CLASS(CMainFrame), // clase del MainFrame

RUNTIME_CLASS(CTeste2View)); // clase del área de cliente

// Crear un nuevo documento para esta ventana

CDocument *pDoc = pDocTemplate->CreateNewDocument();

// Crear la ventana propiamente dicha

m_pMainWnd = pDocTemplate->CreateNewFrame(pDoc, NULL);

// Hacerla visible

m_pMainWnd->ShowWindow(SW_SHOW);

// Enviarle un mensage de actualizacion

m_pMainWnd->UpdateWindow();

return TRUE;

}

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Comunicación entre ventanas y/o Comunicación entre ventanas y/o hebrashebras

colas de mensajescolas de mensajes de tamaño fijo en Win16 dinámicas en Win32 (listas enlazadas)

SendMessageSendMessage PostMessagePostMessage PostThreadMessagePostThreadMessage SendMessageTimeoutSendMessageTimeout

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PostMessagePostMessage

PostMessagePostMessage((HWNDHWND hWnd, hWnd, UINTUINT msg, msg, WPARAMWPARAM, , LPARAMLPARAM););

coloca el mensaje en la fila de la hebra coloca el mensaje en la fila de la hebra que creó hWnd y retorna.que creó hWnd y retorna.

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SendMessageSendMessage

SendMessageSendMessage(HWND hWnd, (HWND hWnd, UINT msg, WPARAM, LPARAM)UINT msg, WPARAM, LPARAM)

coloca el mensaje en la fila de la hebra coloca el mensaje en la fila de la hebra que creó hWndque creó hWnd

espera hasta que el mensaje sea espera hasta que el mensaje sea procesadoprocesado

retornaretorna

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PostThreadMessagePostThreadMessage

PostThreadMessagePostThreadMessage((DWORDDWORD ThreadID, ThreadID,UINTUINT msg, msg, WPARAMWPARAM, , LPARAMLPARAM))

coloca el mensaje en la fila de la hebra coloca el mensaje en la fila de la hebra identificada con ThreadIDidentificada con ThreadID

retornaretorna

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Importante:Importante:SendMessage (entre ventanas)SendMessage (entre ventanas)

una ventana procesa sus mensajes una ventana procesa sus mensajes cuando la hebra que la creo esta activa!cuando la hebra que la creo esta activa!

un mensaje siempre va a la cola de un mensaje siempre va a la cola de mensajes de la hebra que la creó.mensajes de la hebra que la creó.

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Creando una función para recibir Creando una función para recibir mensajesmensajes

LRESULT CMyThread::MyFuncion(LPARAM wParam, LPARAM lParam)

{

// Aqui debemos agregar nuestro código

return 0L;

}

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Mapeando un mensaje a una función Mapeando un mensaje a una función en la clase heredada de CWinThreaden la clase heredada de CWinThread

BEGIN_MESSAGE_MAPBEGIN_MESSAGE_MAP(CMyThread, (CMyThread, CWinThreadCWinThread))

//{{AFX_MSG_MAP(CMyThread)//{{AFX_MSG_MAP(CMyThread)

ON_THREAD_MESSAGE(WM_MYMESSAGE, MyFuncion)ON_THREAD_MESSAGE(WM_MYMESSAGE, MyFuncion)

//}}AFX_MSG_MAP//}}AFX_MSG_MAP

END_MESSAGE_MAPEND_MESSAGE_MAP()()

// #define WM_MYMESSAGE (WM_USER+1)// #define WM_MYMESSAGE (WM_USER+1)

…………..

LRESULT CMyThread::MyFuncion(LRESULT CMyThread::MyFuncion(LPARAM wParam, LPARAM lParam)LPARAM wParam, LPARAM lParam)

{{ // Aqui debemos agregar nuestro código// Aqui debemos agregar nuestro código

return 0L;return 0L;}}

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Mapeando un mensaje a una función Mapeando un mensaje a una función de una ventanade una ventana

BEGIN_MESSAGE_MAPBEGIN_MESSAGE_MAP(CMyEdit, (CMyEdit, CEditCEdit))

//{{AFX_MSG_MAP(CMyThread)//{{AFX_MSG_MAP(CMyThread)

ON_THREAD_MESSAGE(WM_MYMESSAGE, MyFuncion)ON_THREAD_MESSAGE(WM_MYMESSAGE, MyFuncion)

//}}AFX_MSG_MAP//}}AFX_MSG_MAP

END_MESSAGE_MAPEND_MESSAGE_MAP()()

// #define WM_MYMESSAGE (WM_USER+1)// #define WM_MYMESSAGE (WM_USER+1)

…………..

LRESULT LRESULT CMyThread::MyFuncion(CMyThread::MyFuncion(LPARAM LPARAM wParamwParam, LPARAM , LPARAM lParamlParam))

{{ // Aqui debemos agregar nuestro código// Aqui debemos agregar nuestro código

return return 0L0L;;}}

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Comunicación entre ventanas y/o Comunicación entre ventanas y/o hebras (cont)hebras (cont)

SendMessageCallbackSendMessageCallback VOID CALLBACK

SendMessageCallback(HWND hWnd, UINT uMsg,DWORD dwData,LRESULT lResult);

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Comunicación entre ventanas y/o Comunicación entre ventanas y/o hebras (cont)hebras (cont)

SendNotifyMessageSendNotifyMessage coloca el mensaje en la cabeza de la lista

de la otra hebra y retorna; si esta en la misma hebra se comporta

igual que SendMessage. MsgWaitForMultipleObjectsMsgWaitForMultipleObjects

espera por mensajes en su propia fila de mensajes.

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Otras formas de comunicaciónOtras formas de comunicación

Memoria Compartida Memoria Compartida ((Shared MemoryShared Memory),),

Archivos Mapeados a memoriaArchivos Mapeados a memoria((Memory Mapped FilesMemory Mapped Files),),

Tubos Anónimos Tubos Anónimos ((Anonymous PipesAnonymous Pipes),),

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Memoria Compartida (Memoria Compartida (Shared Memory Shared Memory & Memory Mapped Files& Memory Mapped Files))

crear el archivo (crear el archivo (CreateFileCreateFile, , OpenFileOpenFile)) CreateFileMappingCreateFileMapping MapViewOfFileMapViewOfFile

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Memoria Compartida (Memoria Compartida (Shared Memory Shared Memory & Memory Mapped Files& Memory Mapped Files))HANDLEHANDLE hFile, hMapping; hFile, hMapping;LPVOIDLPVOID lpBaseAddress; lpBaseAddress;// mapear el archivo …// mapear el archivo …hFile = hFile = CreateFileCreateFile( "somefile.dat", ...);( "somefile.dat", ...);hMapping = hMapping = CreateFileMappingCreateFileMapping( hFile, ...);( hFile, ...);lpBaseAddress = lpBaseAddress = MapViewOfFileMapViewOfFile( hMapping, ...);( hMapping, ...);// MapViewOfFile incrementó los contadores de uso de los objetos… // MapViewOfFile incrementó los contadores de uso de los objetos… CloseHandleCloseHandle(hFile);(hFile);

CloseHandleCloseHandle(hMapping);(hMapping);

// usar lpBaseAddress aquí ...// usar lpBaseAddress aquí ...

UnmapViewOfFileUnmapViewOfFile(lpBaseAddress);(lpBaseAddress);

// decrementa los contadores de uso de hFile y hMapping // decrementa los contadores de uso de hFile y hMapping

// destruyéndolos// destruyéndolos

DEMODEMO

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Tubos (Tubos (PipesPipes))

tubos bidireccionales para pasar datos,tubos bidireccionales para pasar datos, anónimos (Win95, WinNT, etc) named Pipes (sólo se pueden crear desde

WinNT, pero pueden ser abiertos desde Win95)

remotamente remotamente \\.\pipe\mi-nuevo-pipe

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Tubos (Tubos (PipesPipes) (cont)) (cont)

poseen dos conductosposeen dos conductos Lectura, Escritura

envío de datos: First In First Out (FIFO)envío de datos: First In First Out (FIFO)

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Tubos Anónimos Tubos Anónimos ((Anonymous PipesAnonymous Pipes))

BOOL CreatePipe( // pointer to read handle PHANDLE hReadPipe, // pointer to write handle PHANDLE hWritePipe, // pointer to security attributes LPSECURITY_ATTRIBUTES lpPipeAttributes, // pipe size DWORD nSize);

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FibrasFibras

unidad de ejecución que puede ser manualmente activada por la aplicaciones;

el usuario puede decidir cuando darle el procesador a otra fibra;

corren en el contexto de una hebra; una hebra puede controlar múltiples

fibras.

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Fibras (cont)Fibras (cont)

en general no ofrecen ventajas sin son comparadas con una aplicación Multi-hebras bien diseñada;

mejor aprender a controlas bien las hebras.

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Fibras (cont)Fibras (cont)

ConvertThreadToFiber CreateFiber DeleteFiber GetCurrentFiber GetFiberData SwitchToFiber

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Otros puntos importantesOtros puntos importantes

MCL (Multithreading Class Library);MCL (Multithreading Class Library); depuración de hebras;depuración de hebras; ningún depurador substituye un buen ningún depurador substituye un buen

diseño previo.diseño previo.

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Experimentos:Experimentos:El problema de los filósofosEl problema de los filósofos

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Experimentos: Proyecto Informedia-CMUExperimentos: Proyecto Informedia-CMUFastmap ST vs. Fastmap MT (2-CPUs)Fastmap ST vs. Fastmap MT (2-CPUs)

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SugerenciasSugerencias

la naturaleza del problema;la naturaleza del problema; atomicidad del código (el Scheduler atomicidad del código (el Scheduler

podría parar la ejecución);podría parar la ejecución); estados de espera óptimos;estados de espera óptimos; cantidad de hebras.cantidad de hebras.

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ConclusionesConclusiones

depende de la naturaleza del problema depende de la naturaleza del problema mas que del tipo de máquina,mas que del tipo de máquina,

los programas MT pueden correr con los programas MT pueden correr con una CPU pero están preparados para una CPU pero están preparados para trabajar con mas CPU,trabajar con mas CPU,

el número de hebras está vinculado al el número de hebras está vinculado al número de procesadores y a la cantidad número de procesadores y a la cantidad de operaciones con I/O.de operaciones con I/O.

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GRACIAS !GRACIAS !Ernesto Cuadros-VargasErnesto Cuadros-Vargas


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