Nghiên cứu tính toán song song và ứng dụng vào hệ thống tính cước data 3g

Nghiên cứu thư viện lập trình song song Pthread - Giới thiệu PThread - Cài đặt PTHREAD với Visual studio 2008 64bit - Giới thiệu các hàm chính của pthread - Đồng bộ hóa các tác vụ trong

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH ANH TUẤN

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ……… ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trước tình hình này, các nhà nghiên cứu vi xử lý đã chuyển hướng sang phát triển công nghệ đa lõi, nhiều lõi, với cơ chế xử lý song song trong các máy tính nhằm tăng hiệu năng và tiết kiệm năng lượng

Với dữ liệu lớn mà Hệ thống tính cước data 3g mạng Vinaphone đang đảm nhiệm, cần tăng tốc xử lý và tính toán Để đảm bảo thời gian cung cấp thông tin cho khách hàng

Xuất phát từ nhu cầu trên tôi chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SONG SONG VÀ ỨNG DỤNG VÀO HỆ

THỐNG TÍNH CƯỚC DATA 3G”

2 Luận văn được tổ chức thành ba chương

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về tính toán song song

- Giới thiệu chung tính toán song song

- Phân loại máy tính toán song song

- Các mô hình lập trình tính toán song song

Chương 2 Nghiên cứu thư viện lập trình song song Pthread

- Giới thiệu PThread

- Cài đặt PTHREAD với Visual studio 2008 64bit

- Giới thiệu các hàm chính của pthread

- Đồng bộ hóa các tác vụ trong Pthread

- Một số ví dụ mẫu về Pthread

Chương 3: Ứng dụng tính toán song song vào bài toán tính cước data 3g cho Vinaphone

- Khảo sát hiện trạng hệ thống

- Đề xuất giải pháp tính cước data 3g trên hệ đa lõi

- Phân tích, thiết kế hệ thống tính cước

- Cài đặt và thử nghiệm

- So sánh, đánh giá kết quả giữa chương trình trước và sau khi áp dụng tính toán song song

Chương 1 - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN

SONG SONG 1.1 Tổng quan về tính toán song song

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặt ra nhiều bài toán với khối lượng tính toán rất lớn Trong số đó có những bài toán mà kết quả chỉ có ý nghĩa nếu được hoàn thành trong khoảng thời gian cho phép

Để giải quyết những bài toán này, người ta đã nghiên cứu tăng tốc độ tính toán bằng hai phương pháp hay kết hợp cả hai:

- Phương pháp 1: Cải tiến công nghệ, tăng tốc độ xử lý của máy tính

Công việc này đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền của, nhưng tốc

độ cũng chỉ đạt được đến một giới hạn nào đó

- Phương pháp 2: Chia bài toán ra thành những công việc nhỏ để có thể

chạy song song trên nhiều bộ xử lý

Việc phát triển công nghệ tính toán theo phương pháp 2 đã cho ra đời công nghệ tính toán song song, đó là việc sử dụng đồng thời nhiều tài nguyên tính toán

để giải quyết một bài toán Các tài nguyên tính toán có thể bao gồm một máy tính với nhiều bộ vi xử lý, một tập các máy tính kết nối mạng hay là một sự kết hợp của hai dạng trên

1.1.1 Các mô hình tính toán song song

Một hệ thống máy tính song song là một máy tính với nhiều hơn một bộ xử

lý cho phép xử lý song song Dựa vào sự phân biệt ở kết nối giữa các bộ xử lý (hay thành phần xử lý), giữa bộ xử lý và bộ nhớ mà có rất nhiều loại kiến trúc máy tính song song khác nhau Nhưng theo nguyên tắc phân loại của Flynn thì có hai kiến trúc máy tính song song song thông dụng sau:

ƒ SIMD - Single Instruction Multiple Data: đơn lệnh đa dữ liệu

ƒ MIMD - Multiple Instruction Multiple Data: đa lệnh đa dữ liệu

1.1.1.1 Mô hình đơn lệnh đa dữ liệu – SIMD

SIMD là một kiểu máy tính song song có tất cả các bộ xử lý chỉ thực hiện một lệnh duy nhất Tuy nhiên lệnh này được thực hiện trên các bộ dữ liệu khác nhau ứng với từng bộ xử lý khác nhau

Mô hình này có ưu điểm là đơn giản trong phần cứng cũng như phần mềm nhưng chỉ phù hợp để giải quyết các vấn đề tương đối đặc thù có tính cân đối cao trong xử lý như xử lý ảnh … Các giải thuật cho các đa máy tính thường chạy không hiệu quả trên các máy SIMD

1.1.1.2 Mô hình đa lệnh đa dữ liệu – SIMD

MIMD là một mô hình kiến trúc máy tính song song thông dụng hiện nay Với mô hình này thì tất cả các bộ xử lý sẽ thực hiện các lệnh khác nhau với các dữ liệu riêng khác nhau Sự thực thi các lệnh có thể theo cơ chế đồng bộ hoặc không đồng, xác định hay không xác định Điều này giúp cho mô hình MIMD rất linh hoạt trong việc xử lý song song

1.2 Mô hình lập trình song song

Công việc lập trình song song bao gồm việc thiết kế, lập trình các chương trình máy tính song song sao cho nó chạy được trên các hệ thống máy tính song song Hay có nghĩa là song song hoá các chương trình tuần tự nhằm giải quyết một vấn đề lớn hoặc làm giảm thời gian thực thi hoặc cả hai

Lập trình song song tập trung vào việc phân chia bài toán tổng thể ra thành các công việc con nhỏ hơn rồi định vị các công việc đó đến từng bộ xử lý và đồng

bộ các công việc để nhận được kết quả cuối cùng Nguyên tắc quan trọng nhất ở đây chính là tính đồng thời hoặc xử lý nhiều tác vụ cùng một lúc Có hai hướng chính trong việc tiếp cận lập trình song song:

- Song song hoá ngầm định: bộ biên dịch hay một vài chương trình khác

tự động phân chia các công việc đến các bộ xử lý

- Song song hoá tường minh: người lập trình phải tự phân chia chương trình của họ đế nó có thể thực thi song song

Hiện nay có rất nhiều mô hình lập trình song song: Đa luồng, Truyền thông điệp, Song song dữ liệu, Lai

1.2.1 Mô hình đa luồng

Nhiều hệ thống cung cấp sự hỗ trợ cả hai luồng nhân và luồng người dùng nên tạo ra nhiều mô hình đa luồng khác nhau Chúng ta sẽ xem xét ba loại cài đặt luồng thông thường

1.2.1.1 Mô hình 1:1 (thread cấp nhân)

Mô hình một-một ánh xạ mỗi luồng người dùng tới một luồng nhân Nó cung cấp khả năng đồng hành tốt hơn mô hình nhiều-một bằng cách cho một luồng khác chạy khi một luồng thực hiện lời gọi hệ thống nghẽn; nó cũng cho phép nhiều luồng chạy song song trên các bộ xử lý khác nhau

1.2.1.2 Mô hình N:1 (thread cấp người dùng)

Một mô hình N:1: tất cả các thread cấp ứng dụng đều vạch ra một đơn thực thể được lập lịch cấp nhân Nhân không có tri thức về thread ứng dụng Với phương pháp này, ngữ cảnh chuyển có thể được hoàn thành rất nhanh và ngoài ra,

nó có thể được thực hiện ngay cả trên những nhân đơn giản mà không hỗ trợ thread

1.2.1.3 Mô hình N:M (thread tích hợp)

Mô hình N:M chỉ ra với N thread ứng dụng tương ứng với M thực thể nhân Đây là kết hợp giữa cấp nhân (1:1) và cấp người dùng (N:1) Nói chung, hệ thống thread N:M thể hiện phức tạp hơn thread nhân hoặc thread người dùng, bởi vì đòi hỏi mã của cả thread nhân và thread người dùng

1.2.2 Mô hình truyền thông điệp

Truyền thông điệp là mô hình được sử dụng rộng rãi trong tính toán song

song hiện nay Nó thường áp dụng cho các hệ thống phân tán

1.2.3 Mô hình song song dữ liệu

Mô hình song song dữ liệu nhấn mạnh các thao tác song song trên một tập

dữ liệu Các luồng làm việc chung trên cùng một cấu trúc dữ liệu nhưng ở các phần khác nhau

1.2.4 Mô hình lai

Là sự kết hợp của hai hay nhiều mô hình lập trình song song để tạo ra sự thuận lợi và hiệu quả hơn trong việc tính toán

1.2.5 Mô hình đơn chương trình đa dữ liệu

Mô hình đơn chương trình đa dữ liệu là một mô hình lập trình ở mức cao

mà có thể thực hiện bởi sự kết hợp các mô hình lập trình song song ở trên Một chương trình được thực thi bởi tất cả các tác vụ cùng một lúc và các tác vụ sử dụng các dữ liệu khác nhau

1.2.6 Mô hình đa chương trình đa dữ liệu

Giống như SPMD, mô hình đa chương trình đa dữ liệu (MPMD) là một mô hình lập trình ở mức cao mà có thể thực hiện bởi sự kết hợp các mô hình lập trình song song ở trên

1.3 Sự cần thiết của công cụ phát triển ứng dụng song song

Lập trình là một công việc đòi hỏi cần đầu tư nhiều công sức và thời gian

Vì thế các môi trường phát triển tích hợp đã được phát triển từ rất sớm nhằm trợ giúp cho các lập trình viên thuận lợi hơn trong việc lập trình đồng thời làm giảm thời gian lập trình Hiện nay, các môi trường phát triển tích hợp như Microsoft Visual Studio, Borland Studio, Eclipse, thực sự đã làm cho việc lập trình trở lên

dễ dàng thậm chí đối với cả những người mới bắt đầu học lập trình

Chương 2 – NGHIÊN CỨU THƯ VIỆN LẬP TRÌNH SONG

SONG PTHREAD

Thread là một mô hình lập trình phổ biến cho phép nhiều thread đơn có thể chạy trên cùng một tiến trình, và các thread này có thể chia sẻ tài nguyên của tiến trình cũng như có thể tính toán độc lập Và ứng dụng hữu ích nhất của mô hình này là khi nó được áp dụng cho một tiến trình đơn lẻ để cho phép tính toán song song trên một hệ thống đa xử lý Trong bản luận văn này, tôi sẽ trình bày mô hình này trên chuẩn IEEE POSIX 1003.1c, được gọi là POSIX thread hay Pthread

2.1 Giới thiệu về Thread và Multithread

2.1.1 Tổng quan về Thread

Trong khoa học máy tính một chuỗi các tính toán kết quả từ một nhánh của một chương trình máy tính chia thành hai hoặc nhiều nhiệm vụ chạy đồng thời Sự thể hiện của các thread và tiến trình là khác nhau trong một hệ điều hành, nhưng trong hầu hết các trường hợp, một thread được nằm bên trong một tiến trình Nhiều thread có thể tồn tại cùng trong một tiến trình và chia sẻ tài nguyên như bộ nhớ, trong khi những tiến trình khác nhau không thế chia sẻ tài nguyên

2.1.2 So sánh Thread với tiến trình

Thread khác với tiến trình trong hệ điều hành đa nhiệm truyền thống ở các điểm sau:

- Các tiến trình thường được độc lập, còn các thread thì tồn tại như là các tập con của một tiến trình

- Tiến trình có trạng thái thông tin đáng kể, trong khi nhiều thread trong một tiến trình chia sẽ trạng thái tiến trình cũng như bộ nhớ và các tài nguyên khác

- Tiến trình có vùng địa chỉ riêng biệt, trong khi thread chia sẽ không gian địa chỉ của chúng

- Ngữ cảnh chuyển giữa các thread trong cùng một tiến trình thường sẽ nhanh hơn chuyển giữa các tiến trình

2.1.3 Đa thread và những lợi thế

Multi thread như là một mô hình lập trình phổ biến và cho phép thực hiện nhiều thread tồn tại trong một tiến trình đơn Những thread này chia sẻ tài nguyên của tiến trình nhưng cũng có thể tính toán độc lập Mô hình lập trình thread cung cấp cho người phát triển những sự hữu ích của việc tính toán đồng thời Lợi thế này của lập trình multi thread cho phép nó tính toán nhanh hơn trên hệ thống máy tính có nhiều CPU, CPU với nhiều nhân hoặc qua một cụm máy – bởi vì những thread của chương trình cho vay chính bản thân nó để thực hiện sự đồng thời

2.1.4 Vấn đề đưa ra của thread

Truy cập đồng thời và cấu trúc dữ liệu, những thread trong cùng một tiến trình chia sẻ cùng không gian địa chỉ, điều này cho phép đồng thời chạy các đoạn

mã thành từng cặp để trao đổi dữ liệu một cách thuận tiện và chặt chẽ mà không cần chi phí hoạt động hoặc sự phức tạo của giao tiếp liên tiến trình Tuy nhiên, khi chia sẽ giữa các thread, kể cả những cấu trúc dữ liệu đơn giản cũng trở nên rủi ro nếu chúng yêu cầu nhiều hơn một cấu trúc CPU để cập nhật: hai thread có thể cố gắng cập nhật cấu trúc dữ liệu cùng lúc và tìm thấy những sự thay đổi không mong muốn

2.2 Cài đặt Pthread với Visual studio 2008 64bit

Mục này hướng dẫn chi tiết nguồn tải các lib, inlcule và cấu hình Pthread với Visual studio 2008 64bit

2.3 Lập trình trên POSIX THREAD

2.3.1 Tổng quan về Pthread

2.3.1.1 Khái niệm Pthread

Thread là một dòng các điều khiển trong một process hay một ứng dụng

2.3.1.2 Tại sao lại sử dụng Pthread

Động lực chính đế sử dụng Pthread là để nhận ra hiệu quả tiềm năng của một chương trình Khi so sánh với việc tạo ra và quản lý một process, một thread được tạo ra với ít chi phí hoạt động của hệ điều hành hơn Quản lý thread cũng yêu cầu ít tài nguyên hệ thống hơn là quản lý process

2.3.1.3 Các pthread API

Những Ptrhead API thông thường được định nghĩa trong chuẩn ANSI/IEEE POSIX 1003.1 – 1995 Các thủ tục con trong đó bao gồm các API Pthreads có thể được chính thức nhóm lại thành bốn nhóm chính:

- Quản lý thread: các thủ tục làm việc trực tiếp với thread: tạo thread, tách, nối… Chúng cũng bao gồm các hàm để thiết lập hoặc truy vấn thuộc tính thread (như nối, lập lịch…)

- Mutexes: các thủ tục xử lý việc đồng bộ hóa, được gọi là một “mutex”, viết tắt của “mutual exclusion” Các hàm mutex cung cấp các hàm tạo, phá hủy, khóa và mở khóa mutexes Các hàm này được bổ sung thêm các hàm thuộc tính mutex để thiết lập hoặc sửa đổi các thuộc tính liên kết với mutexes

- Biến điều kiện: các thủ tục để đánh địa chỉ liên kết giữa các thread để chia sẻ một mutex

- Đồng bộ hóa: các thủ tục quản lý đọc/ghi các khóa

- Quy ước đặt tên: tất cả các định danh trong thư viện đều được bắt đầu với pthread_

2.3.2 Quản lý Thread

Các thủ tục chính:

- pthread_create (thread, attr, start_routine, arg): dùng để khởi tạo thread

- pthread_attr_itit (attr): Khởi tạo thuộc tính cho một thread

- pthread_attr_destroy (attr): hủy thuộc tính của một thread

- pthread_exit (status); Dùng để ngắt một thread đang thực thi

2.3.2.1 Tạo thread - pthread_create()

Các tham số trong thủ tục pthread_create:

- Thread: một định danh duy nhất cho một thread mới và được trả về bởi thủ tục con

- Attr: một đối tượng thuộc tính có thể được sử dụng để thiết lập các thuộc tính cho thread Bạn có thể xác định một đối tượng thuộc tính thread, hoặc để NULL với giá trị mặc định

- Start_routine: thủ tục C để thread sẽ thực thi một lần khi nó được tạo ra

- Arg: một tham số đơn để có thể được truyền cho start_routine Nó phải được truyền bởi tham chiếu như là con trỏ kiểu void

- Mỗi một lần được tao ra, thread có thể tạo ra các thread khác Không có

hệ thống cập bậc hoặc phụ thuộc giữa các thread

2.3.2.2 Thiết lập các thuộc tính cho Thread

2.3.2.3 Hủy thread

Có một vài cách mà trong đó Pthread bị hủy:

o Những thread mà trả về từ thủ tục bắt đầu của nó (thủ tục chính với thread ban đầu)

o Những thread thực hiện lời gọi tới hàm pthread_exit

o Những thread bị hủy từ những thủ tục khác bằng hàm pthread_cancel

o Tiến trình cuối bị ngắt trong khi thực hiện lời gọi tới hàm khác hoặc thoát khỏi thủ tục con

Hàm pthread_exit được sử dụng để thoát khỏi một thread

2.3.2.1 Truyền tham số cho Thread

Thủ tục pthread_create() cho phép người lập trình có thể truyền một đối số cho thủ tục khởi tạo thread Trong trường hợp có nhiều tham số cần truyền, sự giới hạn này rất dễ dàng được vượt qua bằng cách tạo ra 1 cấu trúc bao gồm tất cả các tham số, sau đó truyền 1 tham số con trỏ của struct này vào thủ tục pthread_create() Tất cả các tham số đều phải được truyền bằng tham chiếu và kiểu (void *)

Ví dụ 1: truyền 1 tham số:

//Hàm thực hiện nhiệm vụ trong thread

void* do_loop(void *data){

printf("\nStarting thread One_Param_Thread");

pthread_t p_thread, p_thread1;

int thr_id;

int a = 1, b = 2;

thr_id = pthread_create(&p_thread,NULL,do_loop,(void *)&a); do_loop((void*)&b);

thr_id = pthread_create(&p_thread1,NULL,hello,(void *)&a);

printf("\nEnd thread Ex2");

return true;

}

Ví dụ 2: Truyền nhiều tham số sử dụng struct

//Truyen du lieu cau truc du lieu vao thread

int ExampleThread::Multi_Param_Thread(void) {

pthread_t p_thread1, p_thread2;

thr_data data1, data2;

data1.thread_no = 1; strcpy_s(data1.message,100,"hello "); data2.thread_no = 2; strcpy_s(data2.message,100,"world "); int thr_id1, thr_id2;

thr_id1 = pthread_create(&p_thread1,NULL, print_thr,(void

2.3.3 Nối và tách Thread

2.3.3.1 Những thủ tục chính

- Pthread_join (threadid,status): dùng để nối các thread lại

- Pthread_detach(threadid,status): dùng để phân tách các thread

- Pthread_attr_setdetachstate(attr,detachstate): dùng để thiết lập thuộc tính tách thread

- Pthread_attr_getdetachstate(attr,detachstate): dùng để lấy trạng thái thuộc tính tách thread

2.3.3.2 Nối thread – pthread_join()

Nối là một cách để thực hiện việc đồng bộ hóa giữa các thread

Thủ tục pthread_detach() có thể được sử dụng để tách một thread thậm chí thread đó được tạo ra với thuộc tính là có thể nối được Không có thủ tục ngược lại

2.3.4 Dữ liệu riêng của Thread

2.3.4.1 Khái niệm dữ liệu riêng của thread

Trong cơ chế dữ liệu thread cụ thể, chúng ta có khái niệm về các khóa và giá trị Mỗi khóa có một tên, và trỏ tới một vài vùng nhớ Những khóa với cùng tên trong hai thread đồng thời luôn luôn trỏ tới những vùng nhớ khác nhau, điều này được quản lý bởi thư viện các hàm để bố trí các khối bộ nhớ để truy cập thông qua các khóa này

2.3.4.2 Cấp phát dữ liệu riêng của thread

Hàm pthread_key_create() được dùng để cấp phát một khóa mới Khóa này bây giờ sẽ trở nên có giá trị cho tất cả các thread trong tiến trình Khi một khóa được tạo ra, giá trị mặc định là NULL Sau đó trong mỗi thread có thể thay đổi giá trị như nó mong muốn