Спонсор: Microsoft
Санкт-Петербургский государственный университет
Опубликован: 13.11.2010 | Доступ: платный | Студентов: 178 / 3 | Оценка: 4.64 / 4.23 | Длительность: 45:08:00
ISBN: 978-5-9963-0495-0
Лекция 10:

Потоки (threads) и многопоточное выполнение программ (multi-threading)

< Лекция 9 || Лекция 10: 1234 || Лекция 11 >
Аннотация: В лекции рассматриваются понятие потока (thread) и многопоточное выполнение (multi-threading); модели многопоточности; пользовательские потоки и потоки ядра; потоки в "Эльбрусе", Solaris, Linux, POSIX, Windows 2000, Java.
Ключевые слова: thread, POSIX, мышление, &-параллелизм, потоки управления, control flow, счетчик команд, стек, поток работ, адресное пространство, текущая директория, общая память, переключение контекста, многопроцессорность, Unix, Windows, API, язык высокого уровня, переносимость, Java, класс, поток, операции, net, управление потоком, windows 95, beos, отображение, OS/2, системный вызов, сегментация, пользователь, исполнение, исключение, обработка исключений, эффективная реализация, тупик, IEEE, синхронизация потоков, освобождение ресурсов, мьютекс, условная переменная, Си, стандартный вывод, очередь, блок управления процессом, список, local storage, TLS, clone, общее адресное пространство, расширение класса, JVM, thread group, ссылка, параллельный процесс, интерфейс, эффективный механизм, объект, waiting, signaling, архитектура, семантика, fork, exec, обработка сигналов, поддержка, блокировка, локальная память, подкласс, виртуальная машина

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

Многопоточность (multi-threading) – одна из наиболее интересных и актуальных тем в данном курсе и, по-видимому, в области ИТ вообще, и, кроме того, одна из излюбленных тем автора. Актуальность данной темы особенно велика, в связи с широким распространением многоядерных процессоров. В лекции рассмотрены следующие вопросы:

  • Исторический обзор многопоточности
  • Модели многопоточного исполнения
  • Проблемы, связанные с потоками
  • Потоки в POSIX (Pthreads)
  • Потоки в Solaris 2
  • Потоки в Windows 2000/XP
  • Потоки в Linux
  • Потоки в Java и .NET.

Однопоточные и многопоточные процессы

К сожалению, до сих пор мышление многих программистов при разработке программ остается чисто последовательным. Не учитываются широкие возможности параллелизма, в частности, многопоточности. Последовательный (однопоточный) процесс – это процесс, который имеет только один поток управления (control flow), характеризующийся изменением его счетчика команд. Поток (thread) – это запускаемый из некоторого процесса особого рода параллельный процесс, выполняемый в том же адресном пространстве, что и процесс-родитель. Схема организации однопоточного и многопоточного процессов изображена на рис. 10.1.

Однопоточный и многопоточный процессы.

Рис. 10.1. Однопоточный и многопоточный процессы.

Как видно из схемы, однопоточный процесс использует, как обычно, код, данные в основной памяти и файлы, с которыми он работает. Процесс также использует определенные значения регистров и стек, на котором исполняются его процедуры. Многопоточный процесс организован несколько сложнее. Он имеет несколько параллельных потоков, для каждого из которых ОС создает свой стек и хранит свои собственные значения регистров. Потоки работают в общей основной памяти и используют то же адресное пространство, что и процесс-родитель, а также разделяют код процесса и файлы.

Многопоточность имеет большие преимущества:

  • Увеличение скорости (по сравнению с использованием обычных процессов). Многопоточность основана на использовании облегченных процессов (lightweight processes),работающих в общем пространстве виртуальной памяти. Благодаря многопоточности, не возникает больше неэффективных ситуаций, типичных для классической системы UNIX, в которой каждая команда shell (даже команда вывода содержимого текущей директории ls исполнялась как отдельный процесс, причем в своем собственном адресном пространстве. В противоположность облегченным процессам, обычные процессы (имеющие собственное адресное пространство) часто называют тяжеловесными (heavyweight).
  • Использование общих ресурсов. Потоки одного процесса используют общую память и файлы.
  • Экономия. Благодаря многопоточности, достигается значительная экономия памяти, по причинам, объясненным выше. Также достигается и экономия времени, так как переключение контекста на облегченный процесс, для которого требуется только сменить стек и восстановить значения регистров, значительно быстрее, чем на обычный процесс (см. "Методы взаимодействия процессов" ).

Использование мультипроцессорных архитектур. Это особенно важно в настоящее время, в период широкого использования многоядерных гибридных и многопроцессорных систем. Именно многопоточность программ, основанная на многоядерности процессора, дает возможность, наконец, почувствовать реальные преимущества параллельного выполнения.

История многопоточности

Как небезынтересно отметить, один из первых шагов на пути к широкому использованию многопоточности, по-видимому, был сделан в 1970-е годы советскими разработчиками компьютерной аппаратуры и программистами. МВК "Эльбрус-1", разработанный в 1979 году, поддерживал в аппаратуре и операционной системе эффективную концепцию процесса, которая была близка к современному понятию облегченного процесса. В частности, процесс в "Эльбрусе" однозначно характеризовался своим стеком. Иначе говоря, все процессы были облегченными и исполнялись в общем пространстве виртуальной памяти – других процессов в "Эльбрусе" просто не было!

Концепция многопоточности начала складываться, по-видимому, с 1980-х гг. в системе UNIX и ее диалектах. Наиболее развита многопоточность была в диалекте UNIX фирмы AT&T, на основе которого, как уже отмечалось в общем историческом обзоре, была разработана система Solaris. Все это отразилось и в стандарте POSIX, в который вошла и многопоточность, наряду с другими базовыми возможностями UNIX.

Далее, в середине 1990-х гг. была выпущена ОС Windows NT, в которую была также включена многопоточность.

Однако в разных операционных системах API для многопоточности существенно отличались. Поэтому многопоточные программы, даже написанные на языках высокого уровня, оказались не переносимыми с одной платформы на другую, что, разумеется, создавало большие неудобства.

По-видимому, именно по причине различий в спецификациях и реализациях многопоточности в различных системах профессор Бьярн Страуструп не включил многопоточность в созданный им язык C++, ставший столь популярным, и его базовый набор библиотек. Программисты на языке C++ были вынуждены по-прежнему использовать многопоточность на уровне системных вызовов и библиотек конкретных операционных систем.

Важный шаг вперед сделали авторы языка Java и Java-технологии, первая версия реализации которых была выпущена в 1995 г. Именно в Java впервые многопоточность была реализована на уровне конструкций языка и базовых библиотек. В частности, в Java введен класс Thread,представляющий поток, и операции над ним в виде специальных методов и конструкций языка.

Платформа .NET, появившаяся в 2000 г., предложила свой механизм многопоточности, который фактически является развитием идей Java.

Различие подходов к многопоточности в разных ОС и на разных платформах разработки программ сохраняется и до настоящего времени, что приходится постоянно учитывать разработчикам. Для прикладных программ мы рекомендуем реализовывать многопоточность на платформе Java или .NET, что наиболее удобно и позволяет использовать высокоуровневые понятия и конструкции. Однако в нашем курсе, посвященном операционным системам, мы, естественно, больше внимания уделяем системным вопросам многопоточности и ее реализации в операционных системах.

< Лекция 9 || Лекция 10: 1234 || Лекция 11 >
Василий Четвертаков
Василий Четвертаков
Владислав Нагорный
Владислав Нагорный

Подскажите, пожалуйста, планируете ли вы возобновление программ высшего образования? Если да, есть ли какие-то примерные сроки?

Спасибо!

Константин Леденев
Константин Леденев
Россия
Олег Равков
Олег Равков
Россия