Вопрос 9. Потоки
- Классическая модель потока
- Потоки в POSIX
- Потоки в режиме пользователя и ядра
Потоки (нити, облегченный процесс)
Понятие потока
Каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный поток исполняемых команд. В многопользовательских системах, при каждом обращении к одному и тому же сервису, приходится создавать новый процесс для обслуживания клиента. Это менее выгодно, чем создать квазипараллельный поток внутри этого процесса с одним адресным пространством.
Сравнение многопоточной системы с однопоточной
Модель потока
С каждым потоком связывается:
Счетчик выполнения команд
Регистры для текущих переменных
Стек
Состояние
Потоки делят между собой элементы своего процесса:
Адресное пространство
Глобальные переменные
Открытые файлы
Таймеры
Семафоры
Статистическую информацию.
В остальном модель идентична модели процессов.
В POSIX и Windows есть поддержка потоков на уровне ядра.
Преимущества использования потоков
Упрощение программы в некоторых случаях, за счет использования общего адресного пространства.
Быстрота создания потока, по сравнению с процессом, примерно в 100 раз.
Повышение производительности самой программы, т.к. есть возможность одновременно выполнять вычисления на процессоре и операцию ввода/вывода. Пример: текстовый редактор с тремя потоками может одновременно взаимодействовать с пользователем, форматировать текст и записывать на диск резервную копию.
Потоки в posix
Чтобы предоставить возможность создания переносимых многопоточных программ, в отношении потоков институтом IEEE был определен стандарт — IEEE standard 1003.1с. Определенный в нем пакет, касающийся потоков, называется Pthreads. Он поддерживается большинством UNIX-систем. В стандарте определено более 60 вызовов функций. Рассмотреть в этой книге такое количество функций мы не в состоянии. Лучше мы опишем ряд самых основных функций, чтобы дать вам представление о том, как они работают. В табл. 2.5 перечислены все вызовы функций, которые мы будет рассматривать. Все потоки Pthreads имеют определенные свойства. У каждого потока есть свой идентификатор, набор регистров (включая счетчик команд) и набор атрибутов, которые сохраняются в определенной структуре. Атрибуты включают размер стека, параметры планирования и другие элементы, необходимые при использовании потока. Новый поток создается с помощью вызова функции pthread_create. В качестве значения функции возвращается идентификатор только что созданного потока. Этот вызов намеренно сделан очень похожим на системный вызов fork, а идентификатор потока играет роль PID, главным образом для идентификации ссылок на потоки в других вызовах. Когда поток заканчивает возложенную на него работу, он может быть завершен путем вызова функции pthread_exit. Этот вызов останавливает поток и освобождает пространство, занимавшееся его стеком. Зачастую потоку необходимо перед продолжением выполнения ожидать окончания работы и выхода из другого потока. Ожидающий поток вызывает функцию pthread Join, чтобы ждать завершения другого указанного потока. В качестве параметра этой функции передается идентификатор потока, чьего завершения следует ожидать. Иногда бывает так, что поток не является логически заблокированным, но считает, что он проработал достаточно долго, и намеревается дать шанс на выполнение другому потоку. Этой цели он может добиться за счет вызова функции pthread_yield. Для процессов подобных вызовов функций не существует, поскольку предполагается, что процессы сильно конкурируют друг с другом и каждый из них требует как можно больше времени центрального процессора. Но поскольку потоки одного процесса, как правило, пишутся одним и тем же программистом, то он добивается от них, чтобы они давали друг другу шанс на выполнение.
Реализация потоков в пространстве пользователя, ядра и смешанное
А - потоки в пространстве пользователя
B - потоки в пространстве ядра
В случае А ядро о потоках ничего не знает. Каждому процессу необходима таблица потоков, аналогичная таблице процессов.
Преимущества случая А:
Такую многопоточность можно реализовать на ядре не поддерживающим многопоточность
Более быстрое переключение, создание и завершение потоков
Процесс может иметь собственный алгоритм планирования.
Недостатки случая А:
Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса
При использовании блокирующего (процесс переводится в режим ожидания, например: чтение с клавиатуры, а данные не поступают) системного запроса все остальные потоки блокируются.
Сложность реализации