Понятия потока («нити») и многопоточности

Когда говорят о процессах, то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы – файлы, окна, семафоры и так далее. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы ВМ, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы могут быть никак не связаны между собой и даже могут принадлежать разным пользователям, разделяющим одну вычислительную машину. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС берет на себя роль арбитра в конкуренции между процессами по поводу ресурсов.

Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто, а его использование позволяет ускорить реализацию процессов. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (так называемых легковесных или облегченных процессов), которые будут выполняться параллельно с другими подобными «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Такие «подпроцессы» принято называть потокамиили «нитями» (thread). «Подпроцессы» (потоки) называют легковесными потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину. Потоки не имеют своих собственных ресурсов, они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что им необходимо иметь, – это процессорный ресурс. В однопроцессорной машине потоки разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в многопроцессорной машине могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам.

Многопоточность обеспечивает возможность параллельного выполнения нескольких видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления (а, следовательно, более эффективное использование ресурсов центрального процессора и меньшее суммарное время выполнения задач) теперь уже часто реализуется на уровне потоков, и программа, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного выполнения ее отдельных частей. При этом желательно уменьшать взаимодействие потоков между собой, так как ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными.

В качестве примера использования многопоточности можно привести электронную таблицу или текстовый процессор. Если они были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ. Особенно эффективно можно использовать многопоточ-ность для выполнения распределенных приложений: например, многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов.

Итак, сущность «поток» была введена для того, чтобы именно с помощью этих единиц распределять процессорное время между возможными работами. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за ним. А при манипулировании потоками можно менять только их контекст, если происходит переключение с одного потока на другой в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит по крайней мере из одного потока, и только в случае наличия внутреннего параллелизма становится возможным «расщепление» этого одного потока на несколько параллельных.

Потребность в потоках возникла еще на однопроцессорных ВМ, поскольку потоки позволяют организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных ВМ с общей памятью потоки уже являются необходимыми, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессоры, исключая таким образом их возможное «простаивание».

Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного потока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют процессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации.

Все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один поток может исполь-зовать стек другого потока.

Между потоками нет полной защиты, так как это не является необходимым. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия разных частей одной программы.

Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организовать тесное взаимодействие (в отличие от процессов, для которых нужны специальные механизмы взаимодействия). Более того, программист, создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множества потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не участвовать в конкуренции за предоставление ресурсов тогда, когда этого можно избежать.

Резюме

Ключевыми понятиями операционных систем являются понятия «процесса» и «ресурса». Процесс представляет собой некоторую последовательность операций при выполнении программы или ее части в совокупности с используемыми данными. Процессы обладают рядом характеристик и признаков, основными из которых являются временные характеристики, генеалогические признаки, характеристики результативности, времени и места развития, связности и принадлежности к операционной системе.

Под ресурсомпонимается любой потребляемый или расходуемый процессом объект. Ресурсы классифицируются по различным свойствам, важнейшими из которых являются реальность и активность, продолжительность времени существования, характер использования, форма реализации.

За время своего существования процессы могут неоднократно изменять свое состояние, проходя через стадии создания, готовности, выполнения, ожидания и завершения своей работы. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами. Одним из методов планирования процессов, ориентированных на эффективную загрузку ресурсов, является метод очередей ресурсов. Процессы мигрируют между различными очередями под управлением специальной программы операционной системы – планировщика. Наиболее часто используемые на практике алгоритмы планирования процессов – это алгоритмы, основанные на квантовании,и алгоритмы, основанные на приоритетах.

Основные типы процедур планирования процессов – вытесняющие и невытесняющие. При невытесняющей процедуре планирования (невытесняющей многозадачности) активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику операционной системы для того, чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс. При вытесняющей процедуре планирования (вытесняющей многозадачности) решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса принимается планировщиком операционной системы, а не самой активной задачей.

Одними из основных движущих сил, изменяющих состояния процессов, являются так называемые прерывания, которые представляют собой механизм принудительной передачи управления от выполняемой программы к соответствующей программе обработки прерывания. Прерывания классифицируются на аппаратные (которые могут быть внешними и внутренними) и программные. Порядок обработки прерываний зависит от типа используемой дисциплины обслуживания прерываний.

Порядок взаимосвязи процессов определяется правилами синхронизации. Часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным, называется критической секцией (критической областью) программы. Ситуации, когда два или более процессов обрабатывают разделяемые данные, и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками. Исключение эффекта гонок по отношению к некоторому ресурсу обеспечивается различными способами взаимного исключения, такими как использование механизмов блокирующих переменных, семафоров, мьютексов.

Существенной проблемой синхронизации процессов являются их взаимные блокировки или тупики. Проблема взаимоблокировок требует решения задач предотвращения взаимоблокировок, распознавания взаимоблокировок и восстановления системы после взаимоблокировок. Высокоуровневым средством синхронизации процессов, исключающим взаимоблокировки, является так называемый монитор, который представляет собой набор процедур, переменных и структур данных.

Потоки («нити») представляют собой «легковесную» (или «облегченную») форму процессов. Потоки в отличие от процессов не имеют своих собственных ресурсов, они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что им необходимо иметь, – это процессорный ресурс. Многопоточность обеспечивает возможность параллельного выполнения несколько видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления способствуют более эффективному использованию ресурсов центрального процессора и существенно уменьшают суммарное время выполнения программ.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение понятиям «вычислительный процесс» и «ресурс».

2. Как классифицируются процессы и ресурсы?

3. Решение каких задач включает в себя планирование процессов?

4. Перечислите виды состояний процессов.

5. Что такое контекст и дескриптор процесса?

6. Каковы возможные причины выхода процесса из состояния выполнения?

7. Охарактеризуйте наиболее распространенные алгоритмы плани-рования процессов.

8. В чем заключается сущность алгоритмов планирования процес-сов, основанных на квантовании?

9. Опишите различия между относительными и абсолютными прио-ритетами.

10. Дайте определение понятиям вытесняющая и невытесняющая многозадачность.

11. Дайте определение понятию «прерывание».