глава 2 (1085733), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

3. Процедура на ассемблере сохранят регистры

4. Процедура на ассемблере устанавливает новый стек

5. Запускается программа обработки прерываний на С. (Она обычно считывает и буферизирует входные данные)

6. Планировщик выбирает следующий процесс

7. Программа на С передает управление процедуре на ассемблере

8. Процедура на ассемблере запускает новый процесс

Потоки

В обычных операционных системах каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный управляющий поток. Фактически это и определяет процесс. Тем не менее часто встречаются ситуации, в которых предпочтительно иметь несколько квазипараллельных управляющих потоков в одном адресном пространстве как если бы они были различными процессами (однако разделяющим одно адресное пространство). В следующих разделах мы рассмотрим такие ситуации.

Модель потока

Модель процесса, которую мы рассматривали, базируется на двух независимых концепциях: группировании ресурсов и выполнении программы. Иногда полезно их разделять, и тут появляется понятие потока.

С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения род­ственных ресурсов в одну группу. У процесса есть адресное пространство, содер­жащее текст программы и данные, а также другие ресурсы. Ресурсами являются открытые файлы, дочерние процессы, необработанные аварийные сообщения, обработчики сигналов, учетная информация и многое другое. Гораздо проще управ­лять ресурсами, объединив их в форме процесса.

C другой стороны, процесс можно рассматривать как поток исполняемых ко­манд или просто поток. У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хранятся текущие пере­менные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каж­дую процедуру, выданную, 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 па 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.

На рис. 2.4, а представлены три обычных процесса, у каждого из которых есть собственное адресное пространство и одиночный поток управления. На рис, 2.4,6 представлен один процесс с тремя потоками управления. В обоих случаях мы име­ем три потока, но на рис. 2.4. а каждый из них имеет собственное адресное про­странство, а на рис. 2.4, 6 потоки разделяют единое адресное пространство.

При запуске многопоточного процесса в системе с одним процессором потоки работают поочередно. Пример работы пpoцeccoв в многозадачном режиме мы уже видели на рис. 2.1. Иллюзия параллельной работы нескольких различных по­следовательных процессов создается путем постоянного переключения системы между процессами. Многопото-чность реализуется примерно 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. Защиты не существует, поскольку (1) это невозможно и (2) это ненужно. В от­личие oт 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. Как показано в табл. 2.3, потоки разделяют не толь­ко адресное пространство, но и открытые файлы, дочерние процессы, сигналы и т. п. Таким образом, ситуацию на рис, 2,4, а следует использовать в случае абсо­лютно несвязанных процессов, тогда как схема на рис. 2.4, б будет уместна, когда потоки выполняют совместно одну работу.

Таблица 2.3. В первой колонке перечислены элементы, совместно используемые всеми потоками процесса, а во второй — элементы, индивидуальные для каждого потока

Первая колонка содержит элементы, являющиеся свойствами процесса, а не потока. Например, если один поток открываем 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 дя выполнения не­кой задачи в тесном взаимодействии.

Как и любой обычный процесс (то есть процесс с одним потоком), 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. Например, при выполнении системного запроса чтения с клавиатуры поток бло­кируется, пока не поступит сигнал с клавиатуры. Поток может быть разблокиро­ван каким-либо внешним событием или другим потоком. Поток в состоянии готовности будет запущен, как только до него дойдет очередь. Переходы между со­стояниями потоков такие же как на рис. 2.2.

Важно понимать, что у каждого потока свой собственный стек, как показано на рис. 2.5. 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 Х вызы­вает процедуру Y 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 создастся в адресном пространстве существующего потока. Иногда возникает иерархия потоков с от­ношениями типа «родительский—дочерний поток», но чаще всего иерархия от­сутствует и все потоки считаются равнозначными. Независимо от иерархических отношений, создающему потоку чаще всего возвращается идентификатор потока, который дает имя новому потоку.

Выполнив задачу, поток может прекратить работу, вызвав библиотечную про­цедуру, скажем, thread_exit. После этого поток исчезает и уже не рассматривается планировщиком. 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. В этом отношении созда­ние и завершение потоков очень похожи на создание и завершение процессов с практически такими же параметрами.

Еще одно распространенное обращение потока — thread_yield — позволяет по­току добровольно «уступить 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 быть вежливыми и время от времени самим уступать процессор другим потокам. Существуют и процедуры, позволяющие одному потоку подож­дать, пока другой завершит какое-либо действие, оповестить о том, что он закон­чил какое-либо действие и т. и.

Несмотря на то что потоки часто бывают полезными, они существенно услож­няют программную модель. Представьте себе системный вызов fork в UNIX. Если у родительского процесса было много потоков, должно ли это свойство распрост­раняться па дочерний процесс? Если нет, то процесс может неправильно функцио­нировать, поскольку вес потоки могут оказаться необходимы.

Но что произойдет, если поток родительского процесса будет блокирован вы­зовом read с клавиатуры, а у дочернего процесса столько же потоков, сколько у ро­дительского? Будут ли теперь блокированы два потока — один из родительского процесса, другой из дочернего? И если с клавиатуры поступит строка, получат ли оба потока ее копию? Или только один и тогда какой? Эта же проблема возника­ет при работе с открытыми сетевыми соединениями.

Другой класс проблем связан с тем, что потоки совместно используют большое количество структур данных. Что произойдет, если один поток закроет файл в то время, когда другой считывает из него данные? Представьте себе, что одному по­току стало недостаточно памяти и он просит выделить дополнительную память. На полпути происходит переключение потоков, и теперь новый ноток также заме­чает, что ему не хватает памяти, и просит выделить дополнительную память. В этой ситуации память может быть выделена дважды. Все эти проблемы можно решить, но для создания корректно работающих многопоточных программ необходима тщательная и всесторонне обдуманная разработка.

Использование потоков

Настало время объяснить, почему же собственно, потоки так необходимы. Основ­ной причиной является выполнение

большинством приложений существенного числа действий, некоторые из них могут время от времени блокироваться. Схему программы можно существенно упростить, разбив приложение на несколько потоков, запущенных в псевдопараллельном режиме.

Еще одним аргументом в пользу потоков является легкость их создания и уничтожения, т.к. с потоком не связаны никакие ресурсы. В среднем на создание потока уходит в 100 раз меньше времени.

Третьим аргументом является производительность. Когда есть потребность в выполнении большого объема вычислений и операций ввода-вывода, существование потоков позволяет совмещать эти виды деятельности во времени.

Концепция потоков полезна в системах с несколькими процессорами, где можно организовать настоящий параллелизм.

Например, пользователь пишет книгу. С одной стороны можно хранить всю книгу в одном файле, с другой на каждую главу можно отвести отдельный файл.

Характеристики

Список файлов книги