Функциональность потоков

Потоки, подобно процессам, характеризуются состояниями выполнения; кроме того, они могут быть синхронизированы друг с другом. Рассмотрим по очереди эти два аспекта.

Состояния потоков

Основными состояниями потоков, как и процессов, являются: состояние выполнения потока, состояние готовности и состояние блокировки. Вообще го­воря, состояние приостановки нет смысла связывать с потоками, потому что та­кие состояния логичнее рассматривать на уровне процессов. В частности, если процесс приостанавливается, обязательно приостанавливаются все его потоки, потому что все они совместно используют адресное пространство этого процесса.

С изменением состояния потоков связаны такие четыре основных действия [ANDE97].

• Порождение. Обычно во время создания нового процесса вместе с ним соз­дается поток этого процесса. Далее, в рамках одного и того же процесса один поток может породить другой поток, определив его указатель команд и аргументы. Новый поток создается со своим собственным контекстом ре­гистров и стековым пространством, после чего он помещается в очередь го­товых к выполнению потоков.

• Блокирование. Если потоку нужно подождать, пока не наступит некоторое событие, он блокируется (при этом сохраняется содержимое его пользова­тельских регистров, счетчика команд, а также указатели стеков). После этого процессор может перейти к выполнению другого готового потока.

• Разблокирование. Когда наступает событие, ожидание которого блокирова­ло поток, последний переходит в состояние готовности.

• Завершение. После завершения потока его контекст регистров и стеки уда­ляются.

Важно понять, должно ли блокирование потока обязательно приводить к блокированию всего процесса. Другими словами, могут ли выполняться какие-нибудь готовые к выполнению потоки процесса, если один из его по­токов блокирован? Ясно, что если блокировка одного из потоков будет при­водить к блокировке всего процесса, то это существенно уменьшит гибкость и эффективность потоков.

Мы еще вернемся к обсуждению этого вопроса при сравнении потоков на пользовательском уровне и потоков на уровне ядра, а пока что рассмотрим выигрыш в производительности при использовании потоков, которые не бло­кируют весь процесс. На рис. 4.3 (из [KLEI96]) показана программа, выпол­няющая два вызова удаленных процедур (remote procedure call — RPC)² на двух разных узлах, чтобы получить результат после их совместного выпол­нения. В однопоточной программе результаты получаются последовательно, поэтому программа должна ожидать, пока от каждого сервера по очереди бу­дет получен ответ. Переписав программу так, чтобы для каждого вызова удаленной процедуры она использовала отдельный поток, можно получить существенный выигрыш в скорости. Заметим, что если такая программа ра­ботает на однопроцессорной машине, то запросы будут генерироваться после­довательно; результаты тоже будут получены последовательно, однако про­грамма будет ожидать двух ответов одновременно.

² Вызов удаленной процедуры — это технология, при которой две программы, ко­торые могут выполняться на разных машинах, взаимодействуют между собой с помо­щью синтаксиса и семантики вызовов и возвратов из процедур. Обе программы, вызы­вающая и вызываемая, ведут себя так, как будто они выполняются на одной и той же машине. Вызовы удаленных процедур часто применяются в приложениях, работающих по схеме клиент/сервер. Подробнее вызовы удаленных процедур обсуждаются в главе 13, "Распределенные системы".

В однопроцессорных системах многозадачность позволяет чередовать различные потоки нескольких процессов. В примере, показанном на рис. 4.4, чередуются три потока, принадлежащие двум процессам. Передача управле­ния от одного процесса другому происходит либо тогда, когда блокируется выполняющийся поток, либо когда заканчивается интервал времени, отве­денный для его выполнения.