Понятия потока («нити») и многопоточности - раздел Образование, ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, СРЕДЫ И ОБОЛОЧКИ
Когда Говорят О Процессах, То Тем Самым Хотят Отметить, Что О...
Когда говорят о процессах, то тем самым хотят отметить, что операционная система поддерживает их обособленность: у каждого процесса имеется свое виртуальное адресное пространство, каждому процессу назначаются свои ресурсы – файлы, окна, семафоры и так далее. Такая обособленность нужна для того, чтобы защитить один процесс от другого, поскольку они, совместно используя все ресурсы ВМ, конкурируют друг с другом. В общем случае процессы могут быть никак не связаны между собой и даже могут принадлежать разным пользователям, разделяющим одну вычислительную машину. Другими словами, в случае процессов ОС считает их совершенно несвязанными и независимыми. При этом именно ОС берет на себя роль арбитра в конкуренции между процессами по поводу ресурсов.
Однако желательно иметь еще и возможность задействовать внутренний параллелизм, который может быть в самих процессах. Такой внутренний параллелизм встречается достаточно часто, а его использование позволяет ускорить реализацию процессов. Например, некоторые операции, выполняемые приложением, могут требовать для своего исполнения достаточно длительного использования центрального процессора. В этом случае при интерактивной работе с приложением пользователь вынужден долго ожидать завершения заказанной операции и не может управлять приложением до тех пор, пока операция не выполнится до самого конца. Такие ситуации встречаются достаточно часто, например, при обработке больших изображений в графических редакторах. Если же программные модули, исполняющие такие длительные операции, оформлять в виде самостоятельных «подпроцессов» (так называемых легковесных или облегченных процессов), которые будут выполняться параллельно с другими подобными «подпроцессами», то у пользователя появляется возможность параллельно выполнять несколько операций в рамках одного приложения (процесса). Такие «подпроцессы» принято называть потокамиили «нитями» (thread). «Подпроцессы» (потоки) называют легковесными потому, что операционная система не должна для них организовывать полноценную виртуальную машину. Потоки не имеют своих собственных ресурсов, они развиваются в том же виртуальном адресном пространстве, могут пользоваться теми же файлами, виртуальными устройствами и иными ресурсами, что и данный процесс. Единственное, что им необходимо иметь, – это процессорный ресурс. В однопроцессорной машине потоки разделяют между собой процессорное время так же, как это делают обычные процессы, а в многопроцессорной машине могут выполняться одновременно, если не встречают конкуренции из-за обращения к иным ресурсам.
Многопоточность обеспечивает возможность параллельного выполнения нескольких видов операций в одной прикладной программе. Параллельные вычисления (а, следовательно, более эффективное использование ресурсов центрального процессора и меньшее суммарное время выполнения задач) теперь уже часто реализуется на уровне потоков, и программа, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет параллельного выполнения ее отдельных частей. При этом желательно уменьшать взаимодействие потоков между собой, так как ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными.
В качестве примера использования многопоточности можно привести электронную таблицу или текстовый процессор. Если они были разработаны с учетом возможностей многопоточной обработки, то пользователь может запросить пересчет своего рабочего листа или слияние нескольких документов и одновременно продолжать заполнять таблицу или открывать для редактирования следующий документ. Особенно эффективно можно использовать многопоточ-ность для выполнения распределенных приложений: например, многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов.
Итак, сущность «поток» была введена для того, чтобы именно с помощью этих единиц распределять процессорное время между возможными работами. Сущность «процесс» предполагает, что при диспетчеризации нужно учитывать все ресурсы, закрепленные за ним. А при манипулировании потоками можно менять только их контекст, если происходит переключение с одного потока на другой в рамках одного процесса. Все остальные вычислительные ресурсы при этом не затрагиваются. Каждый процесс всегда состоит по крайней мере из одного потока, и только в случае наличия внутреннего параллелизма становится возможным «расщепление» этого одного потока на несколько параллельных.
Потребность в потоках возникла еще на однопроцессорных ВМ, поскольку потоки позволяют организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных ВМ с общей памятью потоки уже являются необходимыми, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, которые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессоры, исключая таким образом их возможное «простаивание».
Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит по крайней мере из одного потока. Подобно традиционным процессам (то есть процессам, состоящим из одного потока), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению задач), другой поток того же процесса может выполняться. Потоки разделяют процессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с различными вариантами диспетчеризации.
Все потоки имеют одно и то же виртуальное адресное пространство своего процесса. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к каждому виртуальному адресу, один поток может исполь-зовать стек другого потока.
Между потоками нет полной защиты, так как это не является необходимым. Все потоки одного процесса всегда решают общую задачу одного пользователя, и механизм потоков используется здесь для более быстрого решения задачи путем ее распараллеливания. При этом программисту очень важно получить в свое распоряжение удобные средства организации взаимодействия разных частей одной программы.
Вследствие того, что потоки, относящиеся к одному процессу, выполняются в одном и том же виртуальном адресном пространстве, между ними легко организовать тесное взаимодействие (в отличие от процессов, для которых нужны специальные механизмы взаимодействия). Более того, программист, создающий многопоточное приложение, может заранее продумать работу множества потоков процесса таким образом, чтобы они могли взаимодействовать наиболее выгодным способом, а не участвовать в конкуренции за предоставление ресурсов тогда, когда этого можно избежать.
Омский государственный институт сервиса... Кафедра высшей математики и информатики...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Понятия потока («нити») и многопоточности
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Планирование процессов
Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами. Для опе
Межпроцессное взаимодействие
Существенное значение имеет возможность взаимодействия процессов между собой. Например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабаты
Управление памятью
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной с
Управление вводом-выводом
Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-выводаВМ. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать
Управление файлами и файловая система
Под файлом обычно понимают набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответству
Операционных систем
Наиболее удачным (по современным меркам) способом, с помощью которого распределенная система может достичь определенного уровня однородности, несмотря на различие аппаратного обесп
Основные принципы построения операционных систем
Одним из наиболее важных принципов построения ОС является принцип модульности. Под модулемоперационной системы в общем случае понимают функционально законченный элеме
Операционных систем
Для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к современной ОС, большое значение имеет ее структурное построение. Операционные системы прошли длительный путь развития от монолитных систем до
Операционные системы разных этапов разработки вычислительных машин
Зарождение прообразов операционных систем в современном их толковании относят к периоду разработки в середине 1950-х годов вычислительных машин на полупроводниковой элементной базе (так называемого
Операционных систем UNIX
История операционной системы UNIX началась в 1969 году с совместного проекта Массачусетского технологического института, исследовательской лаборатории Bell Labs и корпорации General
Операционных систем семейства Windows
Особое значение в истории и сегодняшнем дне операционных систем имеет семейство продуктов Windows корпорации Microsoft как наиболее популярных ОС для персональных компьютеров и сете
Общие представления
Операционная система UNIX представляет собой интерактивную систему, разработанную для одновременной поддержки нескольких процессов и нескольких пользователей. Она была разработана программистами и
Интерфейсы системы UNIX
Операционную систему UNIX можно рассматривать в виде некоторой пирамиды. У основания пирамиды располагается аппаратное обеспечение, состоящее из центрального процессора, памяти, дисков, терминалов
Оболочка и утилиты системы UNIX
У многих версий системы UNIX имеется графический интерфейс пользователя, схожий с популярными интерфейсами, примененными на компьютере Macintosh и впоследствии в системе Windows. Однако истинные пр
Структура ядра системы UNIX
Нижний уровень ядра состоит из драйверов устройств и процедуры диспетчеризации процессов. Все драйверы системы UNIX делятся на два класса: драйверы символьных устройств и драйверы
Реализация процессов в UNIX
У каждого процесса в системе UNIX есть пользовательская часть, в которой работает программа пользователя. Однако когда один из потоков обращается к системному вызову, происходит эму
Планирование в системе UNIX
Поскольку UNIX всегда была многозадачной системой, ее алгоритм планирования с самого начала развития системы разрабатывался так, чтобы обеспечить хорошую реакцию в интерактивных пр
Реализация управления памятью в UNIX
До версии 3BSD большинство систем UNIX основывались на свопинге (подкачке), работавшем следующим образом. Когда загружалось больше процессов, чем могло поместиться в памяти,
Реализация ввода-вывода в системе UNIX
Ввод-вывод в операционной системе UNIX реализуется набором драйверов устройств, по одному для каждого типа устройств. Функция драйвера заключается в изолировании остальной части си
Потоки данных в UNIX
Так как символьные специальные файлы имеют дело с символьными потоками, а не перемещают блоки данных между памятью и диском, они не пользуются буферным кэшем. Вместо этого в первых
Реализация файловой системы Berkeley Fast
Приведенное выше описание объясняет принципы работы классической файловой системы UNIX. Теперь познакомимся с усовершенствованиями этой системы, реализованными в версии Berkeley. Во-первых, были р
Реализация файловой системы Linux
Изначально в операционной системе Linux использовалась файловая система операционной системы MINIX. Однако в системе MINIX длина имен файлов ограничивалась 14 символами (для совместимости с UNIX
Реализация файловой системы NFS
Файловая система NFS (Network File System – сетевая файловая система) корпорации Sun Microsystems, использующуюся на всех современных системах UNIX (а также на некоторых не-UNIX системах) для объе
Реализация безопасности в UNIX
Когда пользователь входит в систему, программа регистрации login (которая является SETUID root) запрашивает у пользователя его имя и пароль. Затем она хэширует пароль и ищет его в файле пар
Структура системы
Операционная система Windows 2000 состоит из двух основных частей: самой операционной системы, работающей в режиме ядра, и подсистем окружения, работающих в режиме пользователя. Ядро является тра
Реализация объектов
Объекты представляют собой, вероятно, самое важное понятие операционной системы Windows 2000. Они предоставляют однородный и непротиворечивый интерфейс ко всем системным ресурсам
Подсистемы окружения
Итак, операционная система Windows 2000 состоит из компонентов, работающих в режиме ядра, и компонентов, работающих в режиме пользователя. Выше были рассмотрены компоненты, работающие в режиме ядра
Межпроцессное взаимодействие
Для общения друг с другом потоки могут использовать широкий спектр возможностей, включая каналы, именованные каналы, почтовые ящики, вызов удаленной процедуры и совместно используе
Реализация процессов и потоков
Процессы и потоки имеют большее значение и являются более сложными, чем задания и волокна. Процесс создается другим процессом при помощи вызова интерфейса Win32 CreateProcess. Это
Загрузка Windows 2000
Прежде чем операционная система Windows 2000 сможет начать работу, она должна загрузиться. Процесс загрузки создает начальные процессы. С точки зрения аппаратного обеспечения, проц
Реализация управления памятью
В операционной системе Windows 2000 поддерживается подгружаемое по требованию одинарное линейное 4-гигабайтное адресное пространство для каждого процесса. Сегментация в любой форме не поддерживает
Реализация ввода-вывода в Windows 2000
Основная функция менеджера ввода-вывода заключается в создании каркаса, в котором могут работать различные устройства ввода-вывода. Структуру каркаса образуют набор независимых от
Файловые системы типа FAT
Операционная система Windows 2000 кроме новой файловой системы NTFS, разработанной специально для Windows NT, поддерживает несколько устаревших файловых систем типа FAT операционной системы MS-DOS.
Файловая система типа NTFS
Система NTFS (New Technology File System – файловая система новой технологии) представляет собой новую сложную файловую систему, разработанную специально для Windows NT и перенесен
Реализация защиты в Windows 2000
Защита в автономной системе Windows 2000 реализуется при помощи нескольких компонентов. Регистрацией в системе управляет программа winlogon, а аутентификацией занимаются I
Библиографический список
1. Андреев А. Г. и др. Microsoft Windows 2000 Server и Professio-nal / Под общ. ред. А.Н. Чекмарева и Д.Б. Вишнякова. – СПб.: БХВ – Петербург, 2001. – 1056 с.: ил.
2. Андр
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов