Что общего у футболки и компьютерной программы? Они обе состоят из многих потоков! В то время как нитки в футболке держат ткань в виде единого полотна, C Thread (в буквальном смысле — «нити» или «потоки») операционной системы объединяют все программы, для того чтобы выполнить последовательные или параллельные действия одновременно. Каждый поток в программе идентифицирует процесс, который запускается, когда система (system Thread C) запрашивает его. Это оптимизирует работу такого сложного устройства как персональный компьютер и положительно сказывается на его быстродействии и производительности.
Определение
В информатике С Thread, или поток выполнения, представляет собой наименьшую последовательность команд, которые управляются независимым планировщиком, который обычно является составным элементом операционной системы.
Для потоков обычно задается определенный приоритет, что означает, что некоторые потоки имеют приоритет над другими. Как только процессор завершит обработку одного потока, он может запустить следующий, ожидающий очереди. Как правило, ожидание не превышает нескольких миллисекунд. Компьютерные программы, реализующие «многопоточность», могут выполнять сразу несколько потоков. Большинство современных ОС поддерживают С Thread на системном уровне. Это означает, что когда одна программа пытается забрать все ресурсы процессора, система принудительно переключается на другие программы и заставляет программу поддержки процессора разделять ресурсы равномерно.
Термин «поток» (С Thread) также может ссылаться на серию связанных сообщений в онлайн-обсуждении. Веб-доски объявлений состоят из множества тем или веток. Ответы, отправленные в ответ на исходную публикацию, являются частью одного и того же потока. В электронной почте поток может ссылаться на серию ответов в виде команд «назад» и «вперед», относящихся к определенному сообщению, и структурировать дерево беседы.
Многопоточность C Thread в Windows
В компьютерном программировании однопоточность — это обработка одной команды за раз. Противоположность однопоточности — многопоточность. Оба термина широко используются в сообществе функционального программирования.
Многопоточность похожа на многозадачность, но позволяет обрабатывать за раз несколько потоков, но не несколько процессов. Поскольку потоки меньше и управляются более простыми инструкциями, многопоточность может возникать также и внутри процессов.
Примеры работы инструмента C Thread task
Многопоточная операционная система может одновременно выполнять несколько фоновых задач, таких как ведение журнала изменений файлов, индексирование данных и управление окнами. Веб-браузеры, поддерживающие многопоточность, могут открывать несколько окон с одновременной работой JavaScript и Flash. Если программа полностью многопоточная, разные процессы не должны влиять друг на друга, если у процессора достаточно мощности для их обработки.
Подобно многозадачности, многопоточность также улучшает стабильность программ. Многопоточность может помешать сбою программы и не допустить сбоя в работе компьютера. Поскольку каждый поток обрабатывается отдельно, то ошибка в одном из них не в состоянии нарушить работу ПК. Таким образом, многопоточность может привести к меньшему количеству сбоев в работе операционной системы в целом.
Многозадачность
Многозадачность обрабатывает несколько задач в параллельном режиме и также характеризует принципы работы компьютера. Процессор может обрабатывать сразу несколько процессов с абсолютной точностью. Тем не менее он обрабатывает только инструкции, отправленные ему программным обеспечением. Поэтому чтобы в полной мере использовать возможности ЦП, программное обеспечение должно иметь возможность обрабатывать более одной задачи за раз и также отличаться многозадачностью.
Историческая ретроспектива
Ранние операционные системы могли запускать сразу несколько программ, но не полностью поддерживали многозадачность. Одна программа могла потреблять все ресурсы процессора при выполнении определенной операции. Основные задачи операционной системы, такие как копирование файлов, не позволяли пользователю выполнять другие задачи (открытие или закрытие окон, например).
Современные операционные системы включают в себя полную поддержку многозадачности — несколько программных решений могут работать одновременно, не мешая функциональности друг друга.
Многозадачность также повышает стабильность работы компьютера. Например, если один из процессов выйдет из строя, это не повлияет на другие запущенные программы, поскольку компьютер обрабатывает каждый процесс отдельно. Это можно сравнить с процессом написания письма: если вы находитесь в середине листа и уже написали часть текста, но ваш веб-браузер неожиданно завершает работу, то вы не потеряете уже выполненную работу.
Одиночные и многопроцессорные системы
Реализация потоковых и процессорных технологий отличается, в зависимости от операционной системы, но чаще всего поток является компонентом процесса. Одновременно несколько потоков способны существовать в едином процессе, выполняя и разделяя ресурсы. В частности, C Thread потоки процесса используют в совместном режиме исполняемый код и значения переменной в любой момент времени.
Системы с одним процессором реализуют многопоточность по времени: центральный процессор (CPU) переключается между различными потоками программного обеспечения. В многопроцессорной, а также в многоядерной системе, некоторое количество потоков выполняется в параллельном режиме, причем каждый процессор или ядро выполняют отдельный поток одновременно.
Виды потоков
Планировщики процессов большинства современных ОС напрямую поддерживают как временную, так и многопроцессорную потоковую обработку, в то время как ядро операционной системы позволяет разработчикам управлять потоками, предоставляя нужные функции через интерфейс системного вызова. Некоторые потоковые реализации называются потоками ядра, тогда как легкие процессы (LWP) — это тип потока, который имеет одно и то же информационное состояние. Также программные решения могут иметь потоки пространства пользователя, когда они используются с таймерами (Thread timer C), сигналами или другими методами, чтобы прервать их собственное выполнение, выполняя своего рода временную привязку ad hoc.
Потоки и процессы: отличия
Потоки отличаются от классических процессов многозадачной ОС следующими характеристиками:
процессы обычно независимы, тогда как потоки существуют как подмножества процесса;
процессы несут гораздо больше информации, чем потоки;
процессы имеют выделенные адресные пространства;
процессы взаимодействуют только через системные механизмы коммуникации;
переключение контекста между потоками в процессе происходит оперативнее, чем переключение контекста между процессами.
Превентивное и совместное планирование
В многопользовательских операционных системах превентивная многопоточность является более широко используемым подходом для контроля над временем выполнения посредством переключения контекста. Тем не менее превентивное планирование может привести к неконтролируемой программистами приоритезации и сбоям. Напротив, совместная многопоточность опирается на потоки, чтобы отказаться от контроля выполнения. Это может создавать проблемы, если совместный многозадачный поток блокируется путем ожидания ресурса.
Эволюция технологии
До начала 2000-х гг. на большинстве настольных компьютеров был только один одноядерный процессор, который не поддерживал аппаратные потоки. В 2002 г. компания Intel реализовала поддержку одновременной многопоточности на процессоре Pentium 4, который носит имя Hyper-Threading. В 2005 г. был представлен двухъядерный процессор Pentium D и двухъядерный процессор AMD Athlon 64 X2.
Процессоры в интегрированных системах с более высокими требованиями к действиям в режиме реального времени способны поддерживать многопоточность, уменьшая время переключения потоков, и применяют выделенный файл регистров для каждого потока.
Модели
Перечислим основные модели реализации.
1: 1 (поток на уровне ядра) — темы, созданные пользователем в ядре, являются простейшей возможной реализацией потоков. OS/2 и Win32 используют этот подход изначально, тогда как в Linux библиотеке C Thread join реализует данный подход через NPTL или более старые LinuxThreads. Этот подход также используется Solaris, NetBSD, FreeBSD, macOS и iOS.
N: 1 (пользовательский поток) — эта модель предусматривает, что все потоки уровня приложения сопоставляются с одним запланированным объектом уровня ядра. При таком подходе контекстное переключение может быть выполнено очень быстро, и, кроме того, его можно даже реализовать на тех ядрах, которые не поддерживают потоковую обработку. Однако один из основных недостатков заключается в том, что он не выигрывает от аппаратного ускорения на многопоточных процессорах или компьютерах. Например: если один из потоков необходимо выполнить при запросе ввода-вывода, весь процесс блокируется и потоковая передача не может быть использована. В GNU Portable C Thread exception используется как потоковая обработка пользовательского уровня.
M: N (гибридная реализация) — модель отображает некоторое количество потоков приложений для некоторого N числа ячеек ядра, или «виртуальных процессоров». Это компромисс между потоками уровня ядра («1: 1») и пользователя («N: 1»). Системы потоковой передачи «M: N» более сложны, поскольку требуются изменения как кода ядра, так и кода пользователя. В реализации M: N библиотека потоковой обработки отвечает за планирование потоков в доступных планируемых сущностях. Это делает контекст самым оптимальным, поскольку позволяет избежать вызовов системы. Однако это увеличивает сложность и вероятность инверсии, а также субоптимальное планирование без обширной (и дорогостоящей) координации между планировщиком пользовательской среды и планировщиком ядра.
Примеры гибридной реализации — активация планировщика, используемая встроенной реализацией библиотеки POSIX NetBSD (для модели M: N, в отличие от модели реализации ядра 1: 1, или модели пользовательского пространства).
Легкие процессы, используемые более старыми версиями операционной системы Solaris (инструментарий Std Thread C).
Поддержка языков программирования
Многие формальные системы поддерживают функциональность потоков. Реализации C и C++ реализуют эту технологию и обеспечивают доступ к собственным API-интерфейсам для операционной системы. Некоторые языки программирования более высокого уровня, такие как языки Java, Python и .NET Framework, выставляют потоки разработчикам при абстрагировании специфических различий в реализации потоков в среде выполнения. Другие языковые расширения также пытаются абстрагировать концепцию параллелизма и потоковой передачи от разработчика. Некоторые языки предназначены для последовательного параллелизма с использованием графических процессоров.
Ряд интерпретируемых языков имеет реализации, которые поддерживают потоковую и параллельную обработку, но не параллельное выполнение потоков из-за глобальной блокировки интерпретатора (GIL). GIL — это блокировка взаимного исключения, выполняемая интерпретатором, которая может помешать одновременно интерпретировать код приложения на двух или более потоках одновременно, что ограничивает параллелизм в многоядерных системах.
Другие реализации интерпретируемых языков программирования, такие как Tcl, используют расширение Thread sleep C. Это позволяет избегать максимального предела GIL, используя модель, где контент и код должны быть явным образом «разделены» между потоками.
Языки программирования приложений, ориентированные на события, такие как Verilog, и расширение Thread sleep C, имеют иную модель потоков, которая поддерживает максимальное их число для моделирования оборудования.
Практическая многопоточность
Многопоточные библиотеки инициируют вызов функции для генерации нового потока, который принимает функциональное значение в качестве параметра. Затем создается новый параллельный поток и запускается обработка запущенной функции с последующим возвратом. Языки программирования содержат библиотеки потоков, включающие функции глобальной синхронизации, которые позволяют создавать и успешно реализовать многопоточность с условием отсутствия ошибок, используя мьютексы, переменные условия, критические разделы, мониторы и другие виды синхронизации.
