Многопоточность

Многопоточностью (multithreading) называется способность операционной системы поддерживать в рамках одного процесса выполнение нескольких потоков. Традиционный подход, при котором каждый процесс представляет собой единый поток выполнения, называется однопоточным подходом. Две левые части рис. 4.1 иллюстрируют однопоточные подходы. MS DOS является примером операционной системы, способной поддерживать не более одного однопоточного пользовательского процесса. Другие операционные системы, такие, как разнообразные разновидности UNIX, поддерживают процессы множества пользователей, но в каждом из этих процессов может содержаться только один поток. В правой половине рис. 4.1 представлены многопоточные подходы. Примером системы, в которой один процесс может расщепляться на несколько потоков, является среда выполнения Java. В этом разделе нас будет интересовать использование нескольких процессов, каждый из которых поддерживает выполнение нескольких потоков. Подобный подход принят в таких операционных системах, как OS/2, Windows 2000 (W2K), Linux, Solaris, Mach, и ряде других. В этом разделе приведено общее описание многопоточного режима, а в последующих разделах будут подробно рассмотрены подходы, использующиеся в операционных системах W2K, Solaris и Linux.

Выполнение машинных команд
Рис. 4.1. Потоки и процессы [ANDE97]

В многопоточной среде процесс определяется как структурная единица распределения ресурсов, а также структурная единица защиты. С процессами связаны следующие элементы.

• Виртуальное адресное пространство, в котором содержится образ процесса.
• Защищенный доступ к процессорам, другим процессам (при обмене информацией между ними), файлам и ресурсам ввода-вывода (устройствам и каналам).

В рамках процесса могут находиться один или несколько потоков, каждый из которых обладает следующими характеристиками.

• Состояние выполнения потока (выполняющийся, готовый к выполнению и т.д.).
• Сохраненный контекст не выполняющегося потока; один из способов рассмотрения потока — считать его независимым счетчиком команд, работающим в рамках процесса.
• Стек выполнения.
• Статическая память, выделяемая потоку для локальных переменных.
• Доступ к памяти и ресурсам процесса, которому этот поток принадлежит; этот доступ разделяется всеми потоками данного процесса.

На рис. 4.2 продемонстрировано различие между потоками и процессами с точки зрения управления последними. В однопоточной модели процесса в его представление входит управляющий блок этого процесса и пользовательское адресное пространство, а также стеки ядра и пользователя, с помощью которых осуществляются вызовы процедур и возвраты из них при выполнении процесса. Когда выполнение процесса прерывается, содержимое регистров процессора сохраняется в памяти. В многопоточной среде с каждым процессом тоже связаны управляющий блок и адресное пространство, но теперь для каждого потока создаются свои отдельные стеки, а также свой управляющий блок, в котором содержатся значения регистров, приоритет и другая информация о состоянии потока.

Рис. 4.2. Однопоточная и многопоточная модели процесса

Таким образом, все потоки процесса разделяют между собой состояние и ресурсы этого процесса. Они находятся в одном и том же адресном пространстве и имеют доступ к одним и тем же данным. Если один поток изменяет в памяти какие-то данные, то другие потоки во время своего доступа к этим данным имеют возможность отследить эти изменения. Если один поток открывает файл с правом чтения, другие потоки данного процесса тоже могут читать из этого файла.
Перечислим основные преимущества использования потоков с точки зрения производительности:

1. Создание нового потока в уже существующем процессе занимает намного меньше времени, чем создание совершенно нового процесса. Исследования, проведенные разработчиками операционной системы Mach, показали, что скорость создания процессов по сравнению с такой же скоростью в UNIX-совместимых приложениях, в которых не используются потоки, возрастает в 10 раз [TEVA87].
2. Поток можно завершить намного быстрее, чем процесс.
3. Переключение потоков в рамках одного и того же процесса происходит намного быстрее.
4. При использовании потоков повышается эффективность обмена информацией между двумя выполняющимися программами. В большинстве операционных систем обмен между независимыми процессами происходит с участием ядра, в функции которого входит обеспечение защиты и механизма, необходимого для осуществления обмена. Однако благодаря тому, что различные потоки одного и того же процесса используют одну и ту же область памяти и одни и те же файлы, они могут обмениваться информацией без участия ядра.

Итак, если приложение или функцию нужно реализовать в виде набора взаимосвязанных модулей, намного эффективнее реализовать ее в виде набора потоков, чем в виде набора отдельных процессов.

Примером приложения, в котором можно удачно применить потоки, является файловый сервер. При получении каждого нового файлового запроса программа управления файлами может порождать новый поток. Из-за того, что серверу приходится обрабатывать очень большое количество запросов, за короткий промежуток времени будут создаваться и удаляться множество потоков. Если такая серверная программа работает на многопроцессорной машине, то на разных процессорах в рамках одного процесса могут одновременно выполняться несколько потоков. Кроме того, из-за того, что процессы или потоки файлового сервера должны совместно использовать данные из файлов, а следовательно, координировать свои действия, рациональнее использовать потоки и общую область памяти, а не процессы и обмен сообщениями.

Потоковая конструкция процесса полезна и на однопроцессорных машинах. Она помогает упростить структуру программы, выполняющей несколько логически различных функций.

В [LETW88] приводится четыре следующих примера использования потоков в однопользовательской многозадачной системе.

• Работа в приоритетном и фоновом режимах. В качестве примера можно привести программу электронных таблиц, в которой один из потоков может отвечать за отображение меню и считывать ввод пользователя, а другой — выполнять команды пользователя и обновлять таблицу. Такая схема часто увеличивает воспринимаемую пользователем скорость работы приложения, позволяя пользователю начать ввод следующей команды еще до завершения выполнения предыдущей.
• Асинхронная обработка. Элементы асинхронности в программе можно реализовать в виде потоков. Например, в качестве меры предосторожности на случай отключения электричества можно сделать так, чтобы текстовый редактор каждую минуту сбрасывал на диск содержимое буфера оперативного запоминающего устройства. Можно создать поток, единственной задачей которого будет создание резервной копии и который будет планировать свою работу непосредственно с помощью операционной системы. Это позволит обойтись без помещения в основную программу замысловатого кода, обеспечивающего проверку соблюдения временного графика или координацию ввода и вывода.
• Скорость выполнения. Многопоточный процесс может производить вычисления с одной порцией данных, одновременно считывая с устройства ввода-вывода следующую порцию. В многопроцессорной системе несколько потоков одного и того же процесса могут выполняться одновременно.
• Модульная структура программы. Программы, осуществляющие разнообразные действия или выполняющие множество вводов из различных источников и выводов в разные места назначения, легче разрабатывать и реализовывать с помощью потоков.

Планирование и диспетчеризация осуществляются на основе потоков; таким образом, большая часть информации о состоянии процесса, имеющей отношение к его выполнению, поддерживается в структурах данных на уровне потоков. Однако есть несколько действий, которые затрагивают все потоки процесса и которые операционная система должна поддерживать именно на этом уровне. Если процесс приостанавливается, то при этом предполагается, что его адресное пространство будет выгружено из основной памяти. Поскольку все потоки процесса используют одно и то же адресное пространство, все они должны одновременно перейти в состояние приостановленных. Соответственно прекращение процесса приводит к прекращению всех составляющих его потоков.