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Trabalho Prático 1: FSPD

Lucas Fonseca Mundim - 2015042134
2022/1

Introdução

Este trabalho prático de FSPD tem como objetivo exercitar conhecimentos de pthreads, mais especificamente do uso de pthread_cond_t, pthread_t e pthread_mutex_t para criar uma abstração de ThreadPool, exercitando o conteúdo visto até agora na disciplina de forma prática.

Detalhes da implementação

Para a execução do trabalho prático, foi necessário implementar uma ThreadPool e uma estrutura para manter as tarefas que seriam recebidas. As tarefas seriam executadas no modelo FIFO, portanto uma estrutura do tipo Queue era a ideal para a utilização. Foi definida uma utilização minimalista de ambas as estruturas tendo em vista que o escopo do projeto é bem reduzido. Abaixo é possível ver alguns trechos importantes:

  • ThreadPool: Como nunca existirão mais do que max_threads threads na ThreadPool, o tamanho máximo da coleção de threads foi definido como este valor, com min_threads threads já inicialiadas para evitar overhead de inicialização. A ThreadPool sempre terá pelo menos essa quantidade de threads esperando tarefas.

  • Queue: Para a implementação da fila, foi definida uma estrutura extremamente simples utilizando Array para evitar a complicação de envolver mais structs no projeto. O mais importante era que as funções push() e pop() precisavam ser thread safe. Para isso foi utilizado um pthread_mutex_t nomeado mutex_queue, impedindo acesso concorrente às seções críticas desses métodos. Também é importante chamar a atenção para o primeiro uso de pthread_cond_t, presente no método push(). Ao adicionar uma nova tarefa na fila, pthread_cond_signal() é executado para sinalizar à uma thread em espera.

Para a inicialização de threads, foi construído o método start_thread() que cuida de todo o processo necessário para o ciclo de vida daquela thread:

  • Definição de thread ID: Ao ser iniciada, a thread incrementa um contador thread safe para definir seu ID e anuncia sua criação.
  • Início do loop de tarefas e espera pela primeira tarefa: Enquanto não houverem tarefas enfileiradas, a thread fica em espera com pthread_cond_wait(). Isso evita o consumo de CPU enquanto estiver idle.
  • Recuperação da definição de tarefa: Simplesmente é chamado o método pop() para recuperar o primeiro item da fila. Note que a falta de lock no método pop() é devido à sua existência no passo anterior.
  • Verificação de EOW: É feita a verificação de EOW na tarefa recuperada. Se for EOW, a thread anuncia seu encerramento e o faz. EOW foi definido conforme sugerido:
  • Execução da tarefa: Se a tarefa for uma tarefa válida, ela é executada.
  • Encerramento da thread caso necessário: Caso existam, além da thread corrente, pelo menos min_threads, a thread atual anuncia seu encerramento e o faz.

A criação de threads extras (entre min_threads e max_threads) se faz no ato da recepção de uma nova tarefa: caso seja criada uma nova tarefa e a quantidade de threads em espera é menor que o máximo, uma nova thread é criada.

Ao final, ao receber um EOF (-1 no lugar de pid), a fila é preenchida com max_threads EOW que seguem por encerrar todas as threads restantes.

Conclusão

Algumas decisões de projeto com o fim de simplificar a implementação foram tomadas com o escopo do projeto, o que por fim foi uma boa decisão, deixando a implementação mais simples de ser depurada utilizando lldb e testada. A aplicação rudimentar de threads utilizando pthread.h é importante para entendermos o que outras bibliotecas mais robustas e modernas fazem "por baixo dos panos" e, de fato, compreender o que é paralelismo e o por quê das leis de Amdahl e Gustafsson.