что такое потоки и процессы

О процессах и потоках

Каждый процесс предоставляет ресурсы, необходимые для выполнения программы. Процесс содержит виртуальное адресное пространство, исполняемый код, открытые дескрипторы для системных объектов, контекст безопасности, уникальный идентификатор процесса, переменные среды, класс приоритета, минимальный и максимальный размеры рабочего множества и, по крайней мере, один поток выполнения. Каждый процесс запускается с одним потоком, который часто называется основным потоком, но может создавать дополнительные потоки из любого потока.

Поток — это сущность внутри процесса, для которой можно запланировать выполнение. Все потоки процесса совместно используют свои виртуальные адресные пространства и системные ресурсы. Кроме того, каждый поток поддерживает обработчики исключений, приоритет планирования, локальное хранилище потока, уникальный идентификатор потока и набор структур, которые система будет использовать для сохранения контекста потока, пока он не будет запланирован. Контекст потока включает набор регистров компьютера, стек ядра, блок среды потока и пользовательский стек в адресном пространстве процесса потока. Потоки также могут иметь собственный контекст безопасности, который можно использовать для олицетворения клиентов.

Microsoft Windows поддерживает вытеснение по нескольким задачам, что создает воздействие одновременного выполнения нескольких потоков из нескольких процессов. На многопроцессорном компьютере система может одновременно выполнять столько потоков, сколько процессоров на компьютере.

Объект задания позволяет управлять группами процессов как единым целым. Объекты заданий являются намаблеными, защищаемыми объектами, совместно используемые объекты, которые управляют атрибутами связанных с ними процессов. Операции, выполняемые над объектом задания, влияют на все процессы, связанные с объектом Job.

Планирование пользовательского режима (UMS) — это упрощенный механизм, с помощью которого приложения могут планировать собственные потоки. Приложение может переключаться между UMS-потоками в пользовательском режиме без использования планировщика системы и повторного получения управления процессором, если поток UMS блокируется в ядре. Каждый поток UMS имеет собственный контекст потока вместо того, чтобы совместно использовать контекст потока одного потока. Возможность переключения между потоками в пользовательском режиме делает UMS более эффективным, чем пулы потоков для кратковременных рабочих элементов, требующих небольшого количества системных вызовов.

Волокно — это единица выполнения, которая должна быть запланирована приложением вручную. Волокна выполняются в контексте потоков, планирующих их. Каждый поток может запланировать несколько волокон. Как правило, волокна не предоставляют преимуществ по сравнению с хорошо спроектированным многопоточным приложением. Однако использование волокон может упростить перенос приложений, разработанных для планирования собственных потоков.

Дополнительные сведения см. в следующих разделах:

Источник

Чем отличается процесс от потока?

Процесс — экземпляр программы во время выполнения, независимый объект, которому выделены системные ресурсы (например, процессорное время и память). Каждый процесс выполняется в отдельном адресном пространстве: один процесс не может получить доступ к переменным и структурам данных другого. Если процесс хочет получить доступ к чужим ресурсам, необходимо использовать межпроцессное взаимодействие. Это могут быть конвейеры, файлы, каналы связи между компьютерами и многое другое.

Для каждого процесса ОС создает так называемое «виртуальное адресное пространство», к которому процесс имеет прямой доступ. Это пространство принадлежит процессу, содержит только его данные и находится в полном его распоряжении. Операционная система же отвечает за то, как виртуальное пространство процесса проецируется на физическую память.

Поток(thread) — определенный способ выполнения процесса, определяющий последовательность исполнения кода в процессе. Потоки всегда создаются в контексте какого-либо процесса, и вся их жизнь проходит только в его границах. Потоки могут исполнять один и тот же код и манипулировать одними и теми же данными, а также совместно использовать описатели объектов ядра, поскольку таблица описателей создается не в отдельных потоках, а в процессах. Так как потоки расходуют существенно меньше ресурсов, чем процессы, в процессе выполнения работы выгоднее создавать дополнительные потоки и избегать создания новых процессов.

Источник

Поток и процессы в операционной системе, процессоре и программировании

Процессы и потоки в операционной систем е ( ОС)

Для программиста же о перационная система является всего лишь программой или задачей, которую выполняет устройство. ОС имеет «глубокий» доступ к аппаратным системам устройства: процессору, материнской плате, видеокарте, аудиокарте, периферийному оборудованию и т. д., поэтому пользователи считают, что она выполняет несколько задач на компьютере. Хотя она контролирует всего лишь процессы.

Процесс на компьютере — это любое отдельно запущенное приложение. Например, открытый браузер, антивирусная программа, Skype, трей и др. — все это отдельные процессы на компьютере. Каждый отдельный процесс способен существовать отдельно друг от друга. Помимо тех процессов, которые видны пользователю на экране компьютера или которые он запустил самостоятельно, существует множество служебных процессов. Служебные процессы не видны сразу, для того чтобы их увидеть, необходим о к ак миниму м з апустить «Диспетчер задач».

Каждый отдельный процесс потребляет ресурсы устройства. Главная задача любой операционной системы — контроль потребляемых ресурсов компьютера, а также их ограничение и распределени е между всеми процессами, которые на них претендуют. Главными ресурсами компьютера являются:

Задачу операционной системы в компьютере мы выяснили. Задачей программист а в этом же контекст е я вляется написание такого приложения, которое будет минимально расходовать системные ресурсы, в частност и о перативную память и время процессора. Если разрабатывается большое приложение, тогда чем меньше оно потребляет системных ресурсов, тем медленнее оно работает. Поэтому программист большого приложения вынужден постоянно искать компромисс между потреблением ресурсов и производительностью приложения.

Некоторые пользователи могут заметить, что мощность компьютеров постоянно растет, поэтому беспокойство о ресурсах компьютера не несет в себе смысла. Тут нужно отметить, что вместе с мощностью компьютера растет сложность используемых программ, поэтому экономия ресурсов компьютера всегда будет актуальной.

Что такое потоки в операционной системе и процессоре

Мы выяснили, что процесс в операционной системе является неким объектом, которому выделяются системные ресурсы, но самостоятельно он не выполняет код программы. У одного процесса мо жет быть несколько потоков, которые будут выполняться одновременно и параллельно. Важно отметить, что несколько потоков одного процесса будут выполнять отдельные части кода одной программы.

Представим на секунду, сколько процессов может быть одновременно запущено на компьютере? Несколько десятков. А сколько потоков могут быть одновременно запущены на компьютере? Несколько сотен. Установленный процессор чисто физически не справился бы со всеми потоками одновременно. Поэтому в операционной системе существует специальный планировщик процессорных потоков. Суть его работы сводится к тому, чтобы выдавать приоритет каждому отдельному потоку и отправлять на выполнение тот, у которого максимальный приоритет.

Получается, что приори те тность потоков является условным свойством, которое может быть передано любому потоку, если пользователю или устройству необходимо его исполнение.

Что такое потоки в процессоре

один с 4 ядрами по 2 потока, то есть всего 8 потоков;

Заключение

Что такое процесс в ОС? Простыми словами, процессом в операционной системе является каждое отдельно запущенное приложение. Процессы в ОС не взаимосвязаны, поэтому могут работать по отдельности.

Что такое поток в программировании? Это возможность разрабатываемой программы работать параллельно в несколько «веток » ( потоков). Потоки в программировании взаимосвязаны. Потоки одной программы не могут работать отдельно друг от друга.

Потоки, процессы, задачи являются очень интересной и обширной темой. Сегодня мы лишь приоткрыли занавес по этой тематике, чтобы вы имели представлени е об этих терминах.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.

Источник

Процессы и потоки in-depth. Обзор различных потоковых моделей

Здравствуйте дорогие читатели. В данной статье мы рассмотрим различные потоковые модели, которые реализованы в современных ОС (preemptive, cooperative threads). Также кратко рассмотрим как потоки и средства синхронизации реализованы в Win32 API и Posix Threads. Хотя на Хабре больше популярны скриптовые языки, однако основы — должны знать все 😉

Потоки, процессы, контексты.

Системный вызов (syscall). Данное понятие, вы будете встречать достаточно часто в данной статье, однако несмотря на всю мощь звучания, его определение достаточно простое 🙂 Системный вызов — это процесс вызова функции ядра, из приложение пользователя. Режим ядра — код, который выполняется в нулевом кольце защиты процессора (ring0) с максимальными привилегиями. Режим пользователя — код, исполняемый в третьем кольце защиты процессора (ring3), обладает пониженными привилегиями. Если код в ring3 будет использовать одну из запрещенных инструкций (к примеру rdmsr/wrmsr, in/out, попытку чтения регистра cr3, cr4 и т.д.), сработает аппаратное исключение и пользовательский процесс, чей код исполнял процессор в большинстве случаях будет прерван. Системный вызов осуществляет переход из режима ядра в режим пользователя с помощью вызова инструкции syscall/sysenter, int2eh в Win2k, int80h в Linux и т.д.

И так, что же такое поток? Поток (thread) — это, сущность операционной системы, процесс выполнения на процессоре набора инструкций, точнее говоря программного кода. Общее назначение потоков — параллельное выполнение на процессоре двух или более различных задач. Как можно догадаться, потоки были первым шагом на пути к многозадачным ОС. Планировщик ОС, руководствуясь приоритетом потока, распределяет кванты времени между разными потоками и ставит потоки на выполнение.

На ряду с потоком, существует также такая сущность, как процесс. Процесс (process) — не что более иное, как некая абстракция, которая инкапсулирует в себе все ресурсы процесса (открытые файлы, файлы отображенные в память. ) и их дескрипторы, потоки и т.д. Каждый процесс имеет как минимум один поток. Также каждый процесс имеет свое собственное виртуальное адресное пространство и контекст выполнения, а потоки одного процесса разделяют адресное пространство процесса.

Классификация потоков

Классификация потоков по отображению в режим ядра

Модель N:M отображает некоторое число потоков пользовательских процессов N на M потоков режима ядра. Проще говоря имеем некую гибридную систему, когда часть потоков ставится на выполнение в планировщике ОС, а большая их часть в планировщике потоков процесса или библиотеки потоков. Как пример можно привести GNU Portable Threads. Данная модель достаточно трудно реализуема, но обладает большей производительностью, так как можно избежать значительного количества системных вызовов.

Модель N:1. Как вы наверное догадались — множество потоков пользовательского процесса отображаются на один поток ядра ОС. Например волокна.

Классификация потоков по многозадачной модели

Однако, кооперативная многозадачность со временем показала свою несостоятельность. Росли объемы данных хранимых на винчестерах, росла также скорость передачи данных в сетях. Стало понятно, что некоторые потоки должны иметь больший приоритет, как-то потоки обслуживания прерываний устройств, обработки синхронных IO операций и т.д. В это время каждый поток и процесс в системе обзавелся таким свойством, как приоритет. Подробнее о приоритетах потоков и процессов в Win32 API вы можете прочесть в книге Джефри Рихтера, мы на этом останавливатся не будем 😉 Таким образом поток с большим приоритетом, может вытеснить поток с меньшим. Такой прицип лег в основу вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking). Сейчас все современные ОС используют данный подход, за исключением реализации волокон в пользовательском режиме.

Классификация потоков по уровню реализации

Win32 API Threads

Если вы все еще не устали, предлагаю небольшой обзор API для работы с потоками и средствами синхронизации в win32 API. Если вы уже знакомы с материалом, можете смело пропускать этот раздел 😉

Потоки в Win32 создаются с помощью функции CreateThread, куда передается указатель на функцию (назовем ее функцией потока), которая будет выполнятся в созданом потоке. Поток считается завершенным, когда выполнится функция потока. Если же вы хотите гарантировать, что поток завершен, то можно воспользоватся функцией TerminateThread, однако не злоупотребляйте ею! Данная функция «убивает» поток, и отнюдь не всегда делает это корректно. Функция ExitThread будет вызвана неявно, когда завершится функция потока, или же вы можете вызвать данную функцию самостоятельно. Главная ее задача — освободить стек потока и его хендл, т.е. структуры ядра, которые обслуживают данный поток.

Поток в Win32 может пребывать в состоянии сна (suspend). Можно «усыпить поток» с помощью вызова функции SuspendThread, и «разбудить» его с помощью вызова ResumeThread, также поток можно перевести в состояние сна при создании, установив значение параметра СreateSuspended функции CreateThread. Не стоит удивлятся, если вы не увидите подобной функциональности в кроссплатформенных библиотеках, типа boost::threads и QT. Все очень просто, pthreads просто не поддерживают подобную функциональность.

Средства синхронихации в Win32 есть двух типов: реализованные на уровне пользователя, и на уровне ядра. Первые — это критические секции (critical section), к второму набору относят мьютексы (mutex), события (event) и семафоры (semaphore).

Критические секции — легковесный механизм синхронизации, который работает на уровне пользовательского процесса и не использует тяжелых системных вызовов. Он основан на механизме взаимных блокировок или спин локов (spin lock). Поток, который желает обезопасить определенные данные от race conditions вызывает функцию EnterCliticalSection/TryEnterCriticalSection. Если критическая секция свободна — поток занимает ее, если же нет — поток блокируется (т.е. не выполняется и не отъедает процессорное время) до тех пор, пока секция не будет освобождена другим потоком с помощью вызова функции LeaveCriticalSection. Данные функции — атомарные, т.е. вы можете не переживать за целостность ваших данных 😉

Posix Threads или pthreads

Сложно представить, какая из *nix подобных операционных систем, не реализует этот стандарт. Стоит отметить, что pthreads также используется в различных операционных системах реального времени (RTOS), потому требование к этой библиотеке (вернее стандарту) — жестче. К примеру, поток pthread не может пребывать в состоянии сна. Также в pthread нет событий, но есть гораздо более мощный механизм — условных переменных (conditional variables), который с лихвой покрывает все необходимые нужды.

Поговорим об отличиях. К примеру, поток в pthreads может быть отменен (cancel), т.е. просто снят с выполнения посредством системного вызова pthread_cancel в момент ожидания освобождения какого-нибудь мьютекса или условной переменной, в момент выполнения вызова pthread_join (вызывающий поток блокируется до тех пор, пока не закончит свое выполнение поток, приминительно к которому была вызвана функция) и т.д. Для работы с мьютексами и семафорами существует отдельные вызовы, как-то pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock и т.д.

Conditional variables (cv) обычно используется в паре с мьютексами в более сложных случаях. Если мьютекс просто блокирует поток, до тех пор, пока другой поток не освободит его, то cv создают условия, когда поток может заблокировать сам себя до тех пор, пока не произойдет какое-либо условия разблокировки. Например, механизм cv помогает эмулировать события в среде pthreads. Итак, системный вызов pthread_cond_wait ждет, пока поток не будет уведомлен о том, что случилось определенное событие. pthread_cond_signal уведомляет один поток из очереди, что cv сработала. pthread_cond_broadcast уведомляет все потоки, которые вызывали pthread_cond_wait, что сработала cv.

Прощальное слово

На сегодня пожалуй все, иначе информации станет слишком много. Для интересующихся, есть несколько полезных ссылок и книг внизу 😉 Также высказывайте свое мнение, интересны ли вам статьи по данной теме.

UPD: дополнил статью небольшой информацией о режиме ядра и режиме пользователя.
UPD2: исправил досадные промахи и ошибки. Спасибо комментаторам 😉

Источник

4) Процесс против потока

Что такое процесс?

Процесс — это выполнение программы, которая позволяет вам выполнять соответствующие действия, указанные в программе. Его можно определить как исполнительный модуль, в котором выполняется программа. ОС помогает вам создавать, планировать и завершать процессы, используемые процессором. Другие процессы, созданные основным процессом, называются дочерними процессами.

Операциями процесса можно легко управлять с помощью PCB (Блок управления процессом). Вы можете рассматривать его как мозг процесса, который содержит всю важную информацию, связанную с обработкой, такую ​​как идентификатор процесса, приоритет, состояние и содержимое регистра ЦП и т. Д.

В этом уроке «Процесс против потока» вы узнаете:

Что такое тема?

Поток — это исполняющая единица, которая является частью процесса. Процесс может иметь несколько потоков, причем все они выполняются одновременно. Это единица выполнения в параллельном программировании. Поток легок и может управляться планировщиком независимо. Это поможет вам улучшить производительность приложения, используя параллелизм.

Несколько потоков обмениваются информацией, такой как данные, код, файлы и т. Д. Мы можем реализовать потоки тремя различными способами:

Свойства процесса

Вот важные свойства процесса:

Свойства нити

Вот важные свойства Thread:

Разница между процессом и потоком

Вот важные различия между процессом и потоком

Что такое многопоточность?

Многопоточность относится к нескольким потокам выполнения в операционной системе. Проще говоря, два или более потоков одного и того же процесса выполняются одновременно.

Источник