Потоки. Мультипрограммирование на уровне потоков

Чтобы поддерживать мультипрограммирование (многозадачность), ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера.

В настоящее время в большинстве операционных систем определены два типа единиц работы.

Более крупная единица работы – процесс.

С помощью процессов удается обеспечить псевдопараллельное (при однопроцессорной вычислительной системе) или параллельное (при многопроцессорной вычислительной системе) выполнение заданий.

Но дело в том, что приложение (задание) может обладать внутренним параллелизмом, использование которого потенциально может ускорить вычисления.

Для реализации этой возможности в операционной системе наряду с процессами должен быть другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения.

И нужна более мелкая единица работы чем процесс - «поток», или «нить» (threads).

В Windows поддерживаются еще более мелкая единица работы - волокна (fibers).

Потоки возникли в операционных системах как средство дополнительного распараллеливания вычислений в рамках одного процесса, когда приложение обладает внутренним параллелизмом.

Подобно процессам потоки в системе описываются структурой данных, которую обычно называют блоком управления потоком (thread control block, TCB).

В операционных системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается операционной системой как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного — процессорного времени.

Этот последний важнейший ресурс распределяется операционной системой между другими единицами работы — потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.

Процессу ОС назначает адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками.

Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов, чем процессов.

В отличие от процессов, которые принадлежат разным, вообще говоря, конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, нежели процессы в традиционной мультипрограммной системе.

Для потоков в отличии от процессов характерно следующие важное свойство: они делят между собой почти все ресурсы потока- одновременно используют эти ресурсы.

Обычно различные потоки совместно используют следующие ресурсы процесса:

1) адресное пространство;

2) глобальные переменные;

3) открытые файлы;

4) дочерние процессы;

5) необработанные аварийные сигналы;

6) сигналы тревоги и их обработчики;

7) информацию об используемых ресурсах.

При этом каждый из потоков имеет собственный:

• счетчик команд

• регистр

• стеки

• состояние процессора

• локальные переменные

Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство.

Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные.

Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу процесса, один поток может использовать стек другого потока.

Между потоками одного процесса нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно.

Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам вовсе не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память — один поток записывает данные, а другой читает их.

С другой стороны, потоки разных процессов по-прежнему хорошо защищены друг от друга

Итак, мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не процессов.

Задача, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет псевдопараллельного (или параллельного в мультипроцессорной системе) выполнения ее отдельных частей.

Наибольший эффект от введения многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки, в том числе и принадлежащие одному процессу, могут выполняться на разных процессорах действительно параллельно (а не псевдопараллельно).

В каждой ОС имеются системные вызовы с помощью которых программа выполняемая в процессе может произвести запуск, приостановку и завершение одного или нескольких потоков.

При переключениях процессора (обычно по таймеру) между отдельными потоками ОС тратится значительно меньше времени чем при переключении между отдельными процессами.

Это связано с тем, что в данном случи процессору нужно производить дополнительные и последующие восстановление значительно меньшего числа переменных процесса (счетчика команд, регистров стеков состояний процессора).

При переключении между потоками процессору нет необходимости производить выполнение самых длительных операций (запоминание и восстановление памяти используемых процессов, описание состояния всех файлов, а так же устройств занятый процессом).

Организация взаимодействия процессов. Основные понятия

Одна из важнейших целей, которые ставятся при разработке многозадачных систем, заключается в том, чтобы разные процессы, одновременно работающие в системе, были как можно лучше изолированы друг от друга.

Это означает, что процессы (в идеале) не должны ничего знать даже о существовании друг друга.

Для каждого процесса ОС предоставляет виртуальную машину, т.е. полный набор ресурсов, имитирующий выполнение процесса на отдельном компьютере.

Изоляция процессов является необходимым условием надежности и безопасности многозадачной системы.

Один процесс не должен иметь возможности вмешаться в работу другого или получить доступ к его данным, ни по случайной ошибке, ни намеренно.

С другой стороны, есть ситуации, когда взаимодействие необходимо.

Процессы могут совместно обрабатывать общие данные, обмениваться сообщениями, ждать ответа и т.п.

Система должна предоставлять в распоряжение процессов средства взаимодействия. Это не противоречит тому, что выше было сказано об изоляции процессов.

Чтобы взаимодействие не привело к полному хаосу, оно должно выполняться только с помощью тех хорошо продуманных средств, которые предоставляет процессам ОС. За пределами этих средств действует изоляция процессов.

Это как граница государств – пересекать ее в произвольных местах запрещено, но должна быть хорошо обустроенная система пропускных пунктов, где легко проконтролировать соблюдение правил пересечения границы.

Понятие взаимодействия процессов включает в себя несколько видов взаимодействия, основными из которых являются:

· синхронизация процессов, т.е., упрощенно говоря, ожидание одним процессом каких-либо событий, связанных с работой других процессов;

· обмен данными между процессами.

Набор средств, предназначенных для взаимодействия процессов, часто обозначают аббревиатурой IPC (InterProcess Communication).

Состав функций и методов обусловлен многолетним опытом как программистов-практиков, так и теоретиков, рассматривающих проблемы взаимодействия параллельных процессов.

Выполнение процессов и потоков в мультипрограммной среде всегда имеет асинхронный характер, невозможно предсказать относительную скорость выполнения процессов.

Момент прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения - все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и являются случайными.

Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выполняющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных процессов, каждый из которых выполняет собственную программу.

Способы взаимодействия процессов (потоков) можно классифицировать по степени осведомленности одного процесса о существовании другого.

1. Процессы не осведомлены о наличии друг друга (например, процессы разных заданий одного или различных пользователей). Это независимые процессы, не предназначенные для совместной работы. Хотя эти процессы и не работают совместно, ОС должна решать вопросы конкурентного использования ресурсов. Например, два независимых приложения могут затребовать доступ к одному и тому же диску или принтеру. ОС должна регулировать такие обращения.

2. Процессы косвенно осведомлены о наличии друг друга (например, процессы одного задания).
Эти процессы не обязательно должны быть осведомлены о наличии друг друга с точностью до идентификатора процесса, однако они разделяют доступ к некоторому объекту, например буферу ввода-вывода, к файлу или БД.

Такие процессы демонстрируют сотрудничество при разделении общего объекта

3. Процессы непосредственно осведомлены о наличии друг друга (например, процессы, работающие последовательно или поочередно в рамках одного задания).
Такие процессы способны общаться один с другим с использованием идентификаторов процессов и изначально созданы для совместной работы.
Эти процессы также демонстрируют сотрудничество при работе

Таким образом, потенциальные проблемы, связанные с взаимодействием и синхронизацией процессов и потоков, могут быть представлены следующей таблицей