¶ Threads
Premisas
- Los procesos son la unidad de tratamiento del sistema operativo.
- Los hilos sólo pueden existir dentro de los procesos, y no pueden ejecutarse por sí solos.
- Todos los procesos tienen un hilo principal a partir del cual se crean el resto de hilos.
- Un programa de un único hilo es secuencial.
Es decir, un proceso se puede descomponer en subprocesos, son los llamados hilos o threads. Estos hilos tienen una propiedad que los hacen muy interesantes para el diseño de programas, y no es otra que pueden ejecutarse de forma paralela, dado que hoy en día los procesadores cuentan con diferentes núcleos (número de procesadores dentro de único chip) e hilos (capacidad que tienen los núcleos para ejecutar 1 o más hilos), esto nos permitirá mejorar el rendimiento de nuestras aplicaciones. Con esta forma de programar podemos aprovechar los tiempos de espera (por ejemplo una consulta compleja SQL a una base de datos o una API Rest) de los procesos para poder realizar otras tareas en paralelo.
Multithreading es una característica de muchos lenguajes de programación Java, C#, Python, … que permite la ejecución concurrente de dos o más partes de un programa para una utilización máxima de la CPU. Cada parte de dicho programa se llama hilo. Entonces, los hilos son procesos livianos dentro de un proceso. Un programa multihilo contiene dos o más partes que se pueden ejecutar simultáneamente. Cada parte de dicho programa se denomina hilo (thread) y cada hilo define una ruta de ejecución independiente. Por lo tanto, multihilo (Multithreaded) es una forma especializada de multitarea.
Si un proceso está bien organizado en threads/hilos podemos incrementar de manera exponencial su rendimiento.
¶ Fundamentos de Multihilo
Hay dos tipos distintos de multitareas: basado en procesos (como hemos visto en el tema anterior) y basado en hilos. Es importante entender la diferencia entre los dos.
- Un proceso es, en esencia, un programa que se está ejecutando. Por lo tanto, la multitarea basada en procesos es la característica que le permite a su computadora ejecutar dos o más programas al mismo tiempo. Por ejemplo, es una multitarea basada en procesos que le permite ejecutar el compilador de Java y el Visual Studio, al mismo tiempo que utiliza un editor de texto o navega por Internet. En la multitarea basada en procesos, un programa es la unidad de código más pequeña que puede enviar el planificador del sistema operativo o bien ser gestionada con un sistema PVM.
- En un entorno multitarea basado en hilos, el hilo es la unidad más pequeña de código distribuible. Esto significa que un solo programa puede realizar dos o más tareas a la vez. Por ejemplo, un editor de texto puede formatear texto al mismo tiempo que está imprimiendo, siempre que estas dos acciones se realicen mediante dos hilos separados. Aunque los programas utilizan entornos multitarea basados en procesos como también hemos visto en el anterior tema, la multitarea basada en procesos no está bajo el control de Java, C# o Python, sino que su control lo realiza el sistema operativo. La multitarea multihilo, sí lo está bajo el control en este caso de Java, C# o Python por nombrar los lenguajes con los que estamos viendo nuestros ejemplos.
¶ Ventajas de Multihilo
Como hemos dicho al principio, una ventaja principal del multihilo es que le permite escribir programas muy eficientes porque le permite utilizar el tiempo de inactividad que está presente en la mayoría de los programas. Como probablemente sepa, la mayoría de los dispositivos de E/S, ya sean puertos de red, unidades de disco o el teclado, son mucho más lentos que la CPU. Por lo tanto, un programa a menudo pasará la mayor parte de su tiempo de ejecución esperando para enviar o recibir información hacia o desde un dispositivo.
Al usar multihilo, tu programa puede ejecutar otra tarea durante este tiempo de inactividad. Por ejemplo, mientras una parte de tu programa está enviando un archivo a través de Internet, otra parte puede leer la entrada del teclado, y otra puede almacenar el siguiente bloque de datos para enviar.
Como estamos viendo los sistemas multiprocesador y multinúcleo se han convertido en algo común. Por supuesto, los sistemas de un solo procesador todavía están en uso generalizado. Es importante comprender que las características multihilo de funcionan en ambos tipos de sistemas.** En un sistema de núcleo único, como también hemos visto en el tema anterior, los hilos de ejecución simultáneas comparten la CPU, y cada hilo recibe un trozo de tiempo de CPU**.
Por lo tanto, en un sistema de núcleo único, dos o más hilos no se ejecutan al mismo tiempo, pero se utiliza el tiempo de CPU inactivo. Sin embargo, en sistemas multiprocesador/multinúcleo, es posible que dos o más hilos se ejecuten de manera simultánea. En muchos casos, esto puede mejorar aún más la eficiencia del programa y aumentar la velocidad de ciertas operaciones.
¶ Los hilos dependen de tres conceptos:
- El hardware debe optimizar la carga de sus núcleos.
- El sistema operativo gestiona la información de cada hilo (estados, puntos de ejecución, …) aunque comparten zonas comunes dentro del proceso.
- El programador:
Debe particionar el programa/proceso en unidades pequeñas que se puedan ejecutar en paralelo.
Analizar y determinar que recursos compartidos o críticos se necesitarán
Facilitar el sincronismo entre hilos.
Establecer técnicas de bloqueo para proteger el acceso a regiones de ejecución en exclusión.
Gestionar las excepciones propias del paralelismo
Probar, documentar y establecer la seguridad
¶ Un hilo comparte con el proceso TODOS los recursos utilizados por el PROPIO PROCESO.
- Código
- Datos o variables
- Identificador único (PID)
- Atributos (nombre, prioridad, …)
- Contador de programa
- Registros de memoria
- Pila de variables locales
- La pila del proceso (STACK) -> Instrucciones
- La memoria que se le asigna al proceso (HEAD)
¶ Estados de un HILO
Un hilo puede estar en uno de varios estados, en resumen:
- Puede estar ejecutándose.
- Puede estar listo para ejecutarse tan pronto como tenga tiempo de CPU.
- Se puede suspender un hilo en ejecución, que es un alto temporal a su ejecución.
- Puede luego reanudarse.
- Un hilo se puede bloquear cuando se espera un recurso.
- Un hilo puede terminar, en cuyo caso su ejecución finaliza y no puede reanudarse.