Нити. 
Операционные системы

Классический подход представляет собой выполнение процесса как единственный поток команд процессора. Однако в современных ОС возможно одновременное параллельное исполнение в одном процессе нескольких потоков команд, называемых нитями, или потоками (threads). Как показано на рис. 1.2, возможны следующие варианты: нескольких потоков в разных процессах и нескольких процессов с множеством потоков в каждом.

Рис. 1.2. Многопроцессность и многопоточность:

а — «один процесс — один поток»; 6 — «один процесс — много потоков»; в — «много процессов с одним потоком в каждом»; г — «много процессов и много потоков в каждом»¹

Большой объем информации, занимаемый процессом, делает дорогими (в смысле ресурсов) операции по их созданию и управлению. Однако часто возникает необходимость в выполнении нескольких параллельных потоков внутри одного процесса, например выполнение одной задачи в многопроцессорной системе на нескольких процессорах. Создание для каждого потока такой программы собственного процесса приведет к большим расходам памяти и времени на переключения между ними. Поэтому в настоящее время практически во всех ОС реализован механизм параллельного выполнения отдельных ветвей задачи внутри одного процесса. Многопоточность позволяет ОС поддерживать выполнение нескольких параллельно исполняемых частей программы.

В условиях многопоточности процесс определяется как элемент выделения некоторого ресурса и защиты так, что процесс имеет: виртуальный адрес, который хранится в образе процесса; защищенный доступ к процессору, файлам и ресурсам I/O от других процессов (IPC).

Внутри процесса может быть запущено множество потоков, каждый из которых:

• • имеет свое состояние (исполнения, готовности,…);
• • сохраняет свой контекст во время ожидания;
• • имеет свои стек и статическую память для локальных переменных;
• • имеет доступ к памяти и другим ресурсам всего процесса, разделяя их с другими потоками.

На рис. 1.3 показана внутренняя архитектура программы для организации однои многопоточных процессов с точки зрения управления ими.^[1]

В модели «один процесс — один поток» представление процесса имеет единые контрольный блок процесса и адресное пространство. Если же внутри процесса исполняются несколько потоков, то для каждого потока создается собственный контрольный блок и выделяется своя память и стек.

Рис. 13. Модели процессов^1.

Итак, поток — это некая совокупность кодов внутри процесса, получающая процессорное время для выполнения. В каждом процессе всегда существует минимум один поток. Этот первичный поток формируется системой автоматически при создании процесса. Далее этот поток может породить другие потоки, те в свою очередь — новые и т. д. Таким образом, один процесс может владеть несколькими потоками, и тогда они одновременно исполняют код в адресном пространстве процесса. Каждый поток имеет:

• • уникальный идентификатор потока;
• • содержимое набора регистров процессора, отражающих состояние процессора;
• • два стека, один из которых используется потоком при выполнении в режиме ядра, а другой — в пользовательском режиме;
• • доступ к отделам памяти и ресурсам процесса, которым этот поток принадлежит;
• • закрытую область памяти, называемую локальной памятью потока (TLS — thread local storage) и используемую подсистемами ядра, run-time библиотеками и DLL (Dynamic Link Library — «библиотека динамической компоновки»).

Эти атрибуты предотвращают конкуренцию отдельных процессов между собой, позволяют экономить память и другие ресурсы, обеспечивают повышенную скорость переключения программы между такими нитями, не требуют специальных механизмов синхронизации и обмена информации.^[2]

Рис. 1.4. Фрагмент работы программы Activity Monitor Mac OS в режиме показа загрузки CPU.

Использование потоков имеет свои привлекательные стороны, например:

• • создание нового потока в существующих процессах иШХ-подобных ОС занимает на порядок меньше времени, чем создание нового процесса;
• • поток завершается значительно быстрее, чем процесс, поскольку не нужно освобождать ресурсы системы;
• • переключение потоков в одном процессе происходит намного быстрее;
• • при использовании потоков повышается эффективность обмена информацией между двумя выполняющимися частями программами, поскольку этот обмен происходит без участия ядра системы и механизмов защиты информации.

Еще одним положительным аргументом является применение потоков в мультипроцессорных системах для равномерной нагрузки всех ресурсов системы.

Однако при использовании нитей возникает и ряд проблем, которые программист должен учитывать. Например, появление в программе отдельных нитей существенно ослабляет защиту программы, так как при их переключении возможны прерывания извне, а следовательно, внедрение вирусов. Кроме того, к таким проблемам относится необходимость написания алгоритма с параллельными ветвями вычислений. Если при этом некоторые переменные доступны из всех нитей, то он должен контролировать и синхронизировать их значения при параллельном выполнении ветвей.

Еще одна проблема может возникнуть из-за того, что запущенный поток не отдаст управление процессором, пока не выполнится полностью. Она возникает потому, что планировщик системы ничего не знает о том, какие нити выполняются внутри задачи. Пользователь в этом случае должен применять внутренние прерывания по таймеру, чтобы равномерно распределить время между потоками.

Кроме того, необходимо отметить еще одну проблему — конкуренцию за внутреннюю память процесса. Она появляется, когда две или более нити работают с одной областью памяти. Для ее устранения применяют различные механизмы блокировки, которые обеспечивают правильную последовательность записи/чтения информации из используемой совместно области памяти. Более подробно об этих проблемах говорится, например, в работе¹.

Для иллюстрации процессов и потоков па рис. 1.4 показан фрагмент окна программы Activity Monitor из Mac OS X, в котором хорошо видно, что ядро (kernel_task) имеет 87 потоков. В свою очередь поток ядра, например, WindowServer, имеет четыре потока и т. п.

• [1] Stallings W. Operating Systems: Internals and Design Principles. 8th ed. Pearson, 2014.
• [2] Stallings W. Operating Systems: Internals and Design Principles.