Потоки

Потік

Потік – мінізадача,яка запускається всередині процесу і використовує псевдопаралельну роботу мікропроцесора.У кожному процесі є мінімум один потік. Цей первинний потік створюється системою автоматично при створенні процесу. Далі цей потік може породити інші потоки, ті в свою чергу нові і т.д. Таким чином, один процес може володіти декількома потоками, і тоді вони одночасно виконують код в адресному просторі процесу.

Для потоку дозволені наступні стани:

• створення (new);
• виконання (running);
• очікування (waiting);
• готовність (ready);
• завершення (terminated).

Кожен потік має:

• унікальний ідентифікатор потоку;
• вміст набору регістрів процесора, що відображають стан процесора;
• два стеки, один з яких використовується потоком при виконанні в режимі ядра, а інший - в користувацькому режимі;
• закриту область пам'яті, звану локальною пам'яттю потоку (thread local storage, TLS) що використовується підсистемами, run-time бібліотеками і DLL.

Потоки мають усі властивості процесів за одним винятком: виконання потоків може бути припинене при закритті процесу, незалежно від того в якому стані вони знаходились.

Кожному потоку належать наступні ресурси:

• код виконуваної функції;
• набір регістрів процесора;
• стек для роботи програми;
• стек для роботи операційної системи;
• маркер доступу, який містить інформацію для системи безпеки.

Потоки в Win2k

Потоком в Windows називається об'єкт ядра, якому операційна система виділяє процесорний час для виконання програми.

Всі ці ресурси утворюють контекст потоку в Windows. Крім дескриптора кожен потік в Windows також має свій ідентифікатор, який унікальний для потоків, що виконуються в системі. Ідентифікатори потоків використовуються службовими програмами, які дозволяють користувачам системи відстежувати роботу потоків.

В операційних системах Windows розрізняються потоки двох типів:

• системні потоки - виконують різні сервіси операційної системи і запускаються ядром операційної системи;
• користувальницькі потоки - служать для вирішення задач користувача і запускаються додатком.

В сімействі операційних систем Microsoft Win2k (включаючи і сучасну Win7) процеси реалізуються у вигляді об'єктів.

В процесі, що виконується можуть міститись один, або декілька потоків.

Можливості синхронізації вбудовуються в об'єкти-процеси та об'єкти-потоки.

Атрибути процесу в Windows:

• Ідентифікатор процесу - унікальне значення.
• Дескриптор захисту - описує, хто створив об'єкт, хто має право доступу, хто є власником.
• Базовий пріоритет.
• Процесор по замовчуванню.
• Квоти - максимальна кількість сторінкової пам'яті, об'єм пам'яті, процесорний час.
• Час виконання - сумарний час, що витрачається на всі потоки.
• Лічильники вводу-виводу - змінні куди заносяться відомості про операції вводу=виводу.
• Лічильники операцій з віртуальною пам'яттю.
• Порти відладки - канали обміну між процесами.
• статус виходу - причина завершення.

Стани потоків в Windows

• Готовий до виконання. Потік може бути відправлений на виконання.
• Резервний. Потік, що буде запущено наступним на даному процесорі. Може витісняти процес з меншим пріоритетом.
• Виконуємий. Може знаходитися в цьому стані поки не буде повністю виконано, або витіснено.
• Очікуючий. Потік знаходиться в стані чекання, якщо він:

1)заблокований подією; 2)добровільно чекає синхронізації; 3)середовище підсистеми вказує потоку щоб він сам себе призупинив.

• Перехідний. Потік готовий до виконання, але ресурси недоступні.
• Завершуючий. Завершення потоку ініціюється самим потоком, іншим потоком або може віббутися в зв'язку з завершенням батьківського процесу.

Керування потоками у Windows ХР

Для того щоб виконувати код, у рамках процесу обов'язково необхідно створити потік. У системі Windows ХР реалізована модель потоків «у чистому вигляді». Процеси і потоки є різними сутностями в системі, що перебувають у чітко визна­ченому взаємозв'язку один з одним; для роботи з ними використовують різні системні виклики. У Windows ХР ніколи не використовували модель процесів, подібну до традиційної моделі UNIX. Багатопотоковість Windows ХР базується на схемі 1:1. Кожному потоку користувача відповідає сутність у ядрі, при цьому ядро відповідає за планування потоків.

Висновки

• Потоки є активними ресурсами обчислювальних систем, які реалізують виконання програмного коду. Потоком називають набір послідовно виконуваних команд процесора. Процес є сукупністю одного або декількох потоків і захищеного адресного простору, в якому вони виконуються. Потоки одного процесу можуть разом використовувати спільні дані, для потоків різних процесів без використання спеціальних засобів це неможливо. У традиційних системах кожний процес міг виконувати тільки один потік, виконання програмного коду пов'язували із процесами. Сучасні ОС підтримують концепцію багатопотоковості.

• Використання потоків у застосуванні означає внесення в нього паралелізму — можливості одночасного виконання дій різними фрагментами коду. Паралелізм у програмах відображає асинхронний характер навколишнього світу, його джерелами є виконання коду на декількох процесорах, операції введення-виведення, взаємодія з користувачем, запити застосувань-клієнтів. Багато-потоковість у застосуваннях дає змогу природно реалізувати цей паралелізм і домогтися високої ефективності. З іншого боку, використання багатопотоковості досить складне і вимагає високої кваліфікації розробника.

• Розрізняють потоки користувача, які виконуються в режимі користувача в адресному просторі процесу, і потоки ядра, з якими працює ядро ОС. Взаємовідношення між ними визначають схему реалізації моделі потоків. На практиці найчастіше використовують схему 1:1, коли кожному потоку користувача відповідає один потік ядра, і саме ядро відповідає за керування потоками користувача.

• Потік може перебувати в різних станах (виконання, очікування, готовності тощо). Принципи переходу з одного стану в інший залежать від принципів планування потоків і планування процесорного часу. Перехід процесу зі стану виконання у будь-який інший стан зводиться до перемикання контексту — передачі керування від одного потоку до іншого зі збереженням стану процесора.

• Кожному потоку в системі відповідає його керуючий блок — структура даних, що містить усю необхідну інформацію. Під час створення процесу (зазвичай за допомогою системного виклику fork() створюють його керуючий блок, виділяють пам'ять і запускають основний потік. Створення потоку простіше і виконується швидше, оскільки не потрібно виділяти пам'ять під новий адресний простір.

Додаткова інформація

• Системное программирование в Windows;
• Процессы в Windows;
• Створення та завершення потоків у Windows, їх стани та планування.