Процессы и потоки
Все потоки (threads) одного процесса пользуются ресурсами породившего их процесса. Кроме того, каждому потоку система и/или программист приписывает приоритет выполнения и набор структур языка С, описывающих контекст потока. Система использует их для запоминания контекста потока, когда его выполнение прерывается. В контекст входят:
- состояние регистров;
- системный стек ядра ОС (kernel stack);
- стек пользователя (user stack), расположенный в адресном пространстве процесса;
- блок переменных окружения потока.
Потоки подобны процессам, но требуют меньших затрат при своем создании. Они в меньшей степени, чем процессы, защищены друг от друга, но позволяют совместить выполнение операций и выиграть в общей производительности процесса. Перечислим наиболее типичные случаи, когда следует применять мпогопоточность:
- управление вводом в различные документы МШ-интерфейса. Ввод данных каждого документа приложения организован в виде отдельного потока;
- управление вводом данных из нескольких устройств телекоммуникации;
- разграничение приоритетов выполнения задач. Потокам, требующим высокой скорости реакции, присваивается высокий приоритет, а другим потокам более низкий;
- снижение времени реакции на действия пользователя по вводу данных при одновременном выполнении фоновых вычислений.
Обычно более эффективной является реализация многозадачности в виде одного процесса с несколькими потоками, чем в виде многих процессов с одним потоком, так как:
- контексты потоков занимают меньший объем, чем контексты процессов и система переключает их быстрее;
- взаимодействие потоков проще, так как они могут пользоваться глобальными переменными в общем для них адресном пространстве процесса;
- потоки одного процесса легче синхронизировать, так как им доступны описатели объектов ядра из общего контекста процесса.
Если один поток выполняет медленные операции ввода-вывода, а другой выполняет вычисления, используя только процессор, то эффективность процесса, совмещающего два потока, будет значительно выше, чем эффективность двух процессов, выполненных последовательно. Типичным многопотоковым приложением является сервер, обслуживающий многих пользователей. Каждый новый пользователь обслуживается отдельным потоком одного процесса. Вместо ожиданий, которые связаны с дисковыми операциями, система может перейти к выполнению другого потока.
Однако в случае ошибочного проектирования потоки могут и ухудшить общий показатель эффективности процесса. Например, время выполнения процесса с двумя потоками будет ниже, чем эффективность двух последовательных однопо-токовых процессов, если оба потока выполняются в памяти и не требуют интерфейса с пользователем. Система вынуждена постоянно прерывать эффективно работающие потоки и переключаться между ними. Эти переключения ведут к ненужным потерям или лишним операциям (overheads) по загрузке в память и последующей выгрузке структур данных, необходимых для обслуживания потоков. Наличие пользовательского интерфейса приводит к тому, что указанные действия выполняются во время неизбежных пауз, связанных с операциями ввода-вывода, что создает иллюзию совмещения во времени.
Создание многопотоковых процессов требует тщательного предварительного анализа с тем, чтобы должным образом скоординировать действия операционной системы и других программных компонентов. Отслеживание состояний многочисленных потоков требует значительных временных затрат, поэтому следует помнить, что Win32-API предоставляет и другие средства реализации асинхронное выполнения операций. Например: асинхронный ввод-вывод (I/O), специальные порты I/O (completion ports), асинхронные вызовы удаленных процедур (asynchronous procedure calls – АРС), функции ожидания системных событий (wait functions).
Совместный доступ потоков к разделяемым ресурсам: описателям файлов, портов, глобальным переменным, может создать конфликты. Например, один поток читает данные, а другой пытается одновременно их изменить или один поток ждет завершения определенной операции другим потоком, а тот, в свою очередь, ждет отработки первого потока. Такое зацикливание называется тупиковой ситуацией (deadlock). Для предупреждения конфликтов такого рода существуют специальные синхронизирующие объекты ядра системы:, семафоры, мьютексы, события.