ПОТОКИ (нити)

Потоки  в операционных системах нужны для двух вещей – для параллелизма и одновременности.

Параллелизм – это физически одновременное выполнение для достижения наибольшей производительности(например, между двумя ядрами).

Одновременность – логическое и/или физическое одновременное выполнение (есть один ЦП, на нем одновременно выполняется несколько программ – многозадачная ОС).

Потоки нужны для того и другого понятия для эффективного использования. В самом простом варианте, чтобы достичь параллелизма – использование множества процессов – программы изолированы друг от друга в разных процессах, поэтому параллелизм есть.

Потоки – другой способ достичь параллелизма. Потоки работают внутри одного процесса. Все потоки процесса имеют одно адресное пространство и те же ресурсы ОС. У потоков есть свой стек и свое состояние ЦП.

Параллелизм (примеры)

Примеры:

Веб-сервер, который для каждого пользовательского процесса создает новый процесс, т.е. должен обслуживать несколько запросов параллельно.

Ожидая данных по запросу клиента из БД сервер в это же время мог бы загрузить данные с диска для другого клиента и обработать запрос третьего клиента.

Веб-браузер – в момент обращения к веб- странице, он мог бы параллельно загружать данные из различных источников.

Некоторая вычислительная программа использующая физический параллелизм – например, когда нужно обработать большой массив данных.

В каждом из этих примеров параллелизма есть общее:

• Один код
• Доступ к одним данным
• Один уровень доступа
• Одно множество ресурсов.

разное:

• Стэк и указатель стэка (регистр SP)
• Счетчик инструкций (регистр IP), указывающий на следующую инструкцию
• Множество регистров ЦП

Процессы и потоки

Большинство современных ОС поддерживает два объекта:

1. Процесс, который определяет адресное пространство и общие атрибуты процесса.
2. Поток, который определяет последовательный поток выполнения в рамках процесса.

Поток привязывается к одному процессу и одному адресному пространству.

• Но может быть много потоков в одном адресном пространстве
• Обеспечивают легкий доступ к общим данным
• Создание потоков занимает очень мало времени

ПОТОКИ стали единицей планирования

Процессы – всего лишь контейнер, в котором выполняются потоки.

Процесс – это непосредственно контейнер, а поток – это нити выполнения, которые у него есть внутри.

Многопоточность

Многопоточность полезна для :

•  обработки одновременных событий
•  построение параллельных программ.

Поддержка многопоточности – разделение понятие процесса от минимального потока управления.

• Для параллельного потока выполнения не нужно создавать новые процессы.
• Работает быстрее, меньше требования к памяти.

Раньше: «Процесс»= адресное пространство + ресурсы ОС+ подразумевался единственный поток

Раньше: «Процесс»= адресное пространство + ресурсы ОС+ все потоки принадлежат процессу

Какие бывают потоки?

Виды потоков 

Потоки делают двумя способами:

1)На уровне ядра —  есть функции ядра для создания нового потока.
— выделяется стек выполнения на внутри адресного пространства процесса;
— создает и инициализирует Thread Control Block (блок упр.процессом).

Потоки ядра

2)На уровне пользователя

потоки уровня пользователя

На рисунке три потока. Есть специальная библиотека Pthreads, которая управляет потоками вне ядра самостоятельно.

В обеих вариантах есть плюсы и минусы

Первый вариант минус —  нужен системный вызов при создании потока, а это время процессора. На уровне пользователя системного вызова не нужно, все управляется специальной библиотекой.

Библиотека Pthreads (положительное):

Каждый поток представляется регистрами ЦП, стеком и небольшим блоком TCB

Создание потока, переключение между потоками и синхронизация потоков выполняется без участия ядра

Потоки уровня пользователя могут быть в 10-100 раз быстрее, чем потоки режима ядра

• Множество потоков в одном адресном пространстве это хорошо;
• Потоки режима ядра намного эффективнее процессов, но есть потери на системные вызовы;
• Потоки режима пользователя имеют преимущества и недостатки:
  — высокая скорость и «дешевизна» создания;
  — могут быть проблемы с вводом/выводом и блокировками, из-за того, что ядро не знает об этих потоках.

Поэтому пользовательские потоки не обрели большой популярности.

Возможно решить эти проблемы на уровне планировщика.

В ОС Windows NT потоки реализованы на уровне ядра, что позволяет более тонко регулировать события.

Ввели fiber – вытесняющую многозадачность.

Отличие потоков от процессов

Потоки выполнения отличаются от традиционных процессов  многозадачной операционной системы тем, что:

• процессы, как правило, независимы, тогда как потоки выполнения существуют как составные элементы процессов;
• процессы несут значительно больше информации о состоянии, тогда как несколько потоков выполнения внутри процесса совместно используют информацию о состоянии, а также память и другие вычислительные ресурсы;
• процессы имеют отдельные адресные пространства, тогда как потоки выполнения совместно используют их адресное пространство;
• процессы взаимодействуют только через предоставляемые системой механизмы связей между процессами;
• переключение контекста между потоками выполнения в одном процессе, как правило, быстрее, чем переключение контекста между процессами.

Такие системы, как Windows NT и OS/2, как говорят, имеют «дешёвые» потоки выполнения и «дорогие» процессы. В других операционных системах разница между потоками выполнения и процессами не так велика, за исключением расходов на переключение адресного пространства.

Следующая важная тема в теории операционных систем «Синхронизация».

Скачать презентацию к лекции «Процессы и потоки»

Скачать тест по теме «Процессы и потоки»

Понравилась статья, рекомендуйте Вашим друзьям!

Давайте дружить!

1 комментарий к записи “ПОТОКИ (нити)”