Модель потока

В обычных операционных системах каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный управляющий поток. Фактически это и определяет процесс. Процесс можно рассматривать как поток исполняемых команд или просто поток. У него есть регистры, в которых хранятся текущие переменные; стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую процедуру, вызванную, но еще не вернувшуюся, отведен отдельный фрейм. Хотя поток должен исполняться внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса. Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на центральном процессоре. Концепция потоков добавляет к модели процесса возможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса нескольких программ, в достаточной степени независимых. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы

и другие ресурсы. Во втором случае процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами. Термин многопоточность также используется для описания использования нескольких потоков в одном процессе.

При запуске многопоточного процесса в системе с одним процессором потоки работают поочередно. Иллюзия параллельной работы нескольких различных последовательных процессов создается путем постоянного переключения системы между процессами. Многопоточность реализуется так же. Процессор быстро переключается между потоками, создавая впечатление параллельной работы потоков, хотя и на не столь быстром процессоре. В случае трех ограниченных производительностью процессора потоков в одном процессе все потоки будут работать параллельно, и каждому потоку будет соответствовать виртуальный процессор с быстродействием, равным одной трети быстродействия реального процессора. Различные потоки в одном процессе не так независимы, как различные процессы. У всех потоков одно и то же адресное пространство, что означает совместное использование глобальных переменных. Поскольку любой поток имеет доступ к любому адресу ячейки памяти в адресном пространстве процесса, один поток может считывать, записывать или даже стирать информацию из стека другого потока. В отличие от различных процессов, которые могут быть инициированы различными пользователями и преследовать несовместимые цели, один процесс всегда запущен одним пользователем, и потоки созданы таким образом, чтобы работать совместно, не мешая друг другу. Потоки разделяют не только адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п. Элементы потока содержат элементы, являющиеся свойствами процесса, а не потока. Например, если один поток открывает файл, этот файл тут же становится видимым для остальных потоков, и они могут считывать информацию и записывать ее в файл. Это логично, поскольку процесс, а не поток является единицей управления ресурсами. Если бы у каждого потока было собственное адресное пространство, открытые файлы, аварийные сигналы, требующие обработки и т. д., это были бы отдельные процессы. Концепция потоков состоит в возможности совместного использования набора ресурсов несколькими потоками для выполнения некой задачи в тесном взаимодействии. Поток может

находиться в одном из нескольких состояний: рабочем, заблокированном, готовности или завершенном. Действующий поток взаимодействует с процессором. Блокированный поток ожидает некоторого события, которое его разблокирует. У каждого потока есть свой собственный стек. Стек каждого потока содержит по одному фрейму для каждой процедуры, вызванной, но еще не вернувшей управления. Во фрейме находятся локальные переменные процедуры и адрес возврата. Например, если процедура X вызывает процедуру У и она, в свою очередь, вызывает процедуру Z, то во время работы процедуры Z в стеке будут находиться фреймы для всех трех процедур. Каждый поток может вызывать различные процедуры и, соответственно, иметь различный протокол выполнения процесса — именно поэтому каждому потоку необходим собственный стек. В многопоточном режиме процессы, как правило, запускаются с одним потоком. Этот поток может создавать новые потоки, вызывая библиотечную процедуру, например thread_create. Параметром обычно является имя процедуры, которую необходимо запустить для создания нового потока. Указание какой-либо информации, касающейся адресного пространства нового потока, не является необходимым (или даже возможным), поскольку новый поток создается в адресном пространстве существующего потока. Выполнив задачу, поток может прекратить работу, вызвав библиотечную процедуру. В некоторых потоковых системах один поток может ждать прекращения работы другого (определенного) потока. Для этого вызывается процедура, например thread_wait. Процедура блокирует вызывающий процедуру поток, пока другой поток (определенный) не прекратит работу. Еще одно обращение потока — thread_yield — позволяет потоку добровольно «уступать свою очередь» другому потоку. Это важный момент, поскольку в случае потоков не существует прерывания по таймеру, позволяющего установить режим разделения времени, как это было в случае процессов. Потокам необходимо время от времени самим уступать процессор другим потокам. Потоки существенно усложняют программную модель. Потоки совместно используют большое количество структур данных.