Programación
Concurrente
Define el tipo de programación donde un programa puede tener diversos módulos
que se ejecutan de forma concurrente (al mismo tiempo). Para que esto suceda es
necesario definir hilos de ejecución que ejecuten rutinas especificas
(subprogramas o acciones nominadas) de un programa en momento de ejecución (es
decir, cuando el programa se convierte en proceso). Aunque pueden ser definidos
por el usuario a la hora de programar, es el sistema operativo el que gestiona
este tipo de tecnología.
Hilo de
ejecución
un hilo de ejecución, hebra
o subproceso es la unidad de
procesamiento más pequeña que puede ser planificada por un sistema operativo.
La creación de un nuevo hilo es una
característica que permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez
(concurrentemente). Los distintos hilos de ejecución comparten una serie de
recursos tales como el espacio de memoria, los archivos abiertos, situación de
autenticación, etc. Esta técnica permite simplificar el diseño de una
aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente.
Un hilo es básicamente una tarea que
puede ser ejecutada en paralelo con otra tarea.
Los hilos de ejecución que comparten
los mismos recursos, sumados a estos recursos, son en conjunto conocidos como
un proceso. El hecho de que los hilos de
ejecución de un mismo proceso compartan los recursos hace que cualquiera de
estos hilos pueda modificar éstos. Cuando un hilo modifica un dato en la
memoria, los otros hilos acceden a ese dato modificado inmediatamente.
Lo que es propio de cada hilo es el contador de programa, la pila de ejecución y el estado de la CPU (incluyendo el valor
de los registros).
El proceso sigue en ejecución
mientras al menos uno de sus hilos de ejecución siga activo. Cuando el proceso
finaliza, todos sus hilos de ejecución también han terminado. Asimismo en el
momento en el que todos los hilos de ejecución finalizan, el proceso no existe
más y todos sus recursos son liberados.
Algunos lenguajes de programación tienen
características de diseño expresamente creadas para permitir a los programadores
lidiar con hilos de ejecución (como Java o Delphi). Otros
(la mayoría) desconocen la existencia de hilos de ejecución y éstos deben ser
creados mediante llamadas de biblioteca especiales que dependen del sistema
operativo en el que estos lenguajes están siendo utilizados (como es el caso
del C y del C++).
Un ejemplo de la utilización de
hilos es tener un hilo atento a la interfaz gráfica (iconos, botones, ventanas),
mientras otro hilo hace una larga operación internamente. De esta manera el
programa responde de manera más ágil a la interacción con el usuario. También
pueden ser utilizados por una aplicación servidora para dar servicio a
múltiples clientes.
Diferencias entre hilos y procesos
Los hilos se distinguen de los
tradicionales procesos en que los procesos son –generalmente– independientes,
llevan bastante información de estados, e interactúan sólo a través de mecanismos de comunicación dados por el
sistema. Por otra parte, muchos hilos generalmente comparten otros recursos de
forma directa. En muchos de los sistemas
operativos que dan facilidades a los hilos, es más rápido cambiar de
un hilo a otro dentro del mismo proceso, que cambiar de un proceso a otro. Este
fenómeno se debe a que los hilos comparten datos y espacios de direcciones,
mientras que los procesos, al ser independientes, no lo hacen. Al cambiar de un
proceso a otro el sistema operativo (mediante el dispatcher) genera lo
que se conoce como overhead, que es tiempo desperdiciado por el
procesador para realizar un cambio de contexto (context switch), en este
caso pasar del estado de ejecución (running) al estado de espera (waiting)
y colocar el nuevo proceso en ejecución. En los hilos, como pertenecen a un
mismo proceso, al realizar un cambio de hilo el tiempo perdido es casi
despreciable.
Sistemas operativos como Windows NT,
OS/2
y Linux
(2.5 o superiores) dicen tener hilos "baratos", y procesos
"costosos" mientras que en otros sistemas no hay una gran diferencia.
Funcionalidad de los hilos
Al igual que los procesos, los hilos
poseen un estado de ejecución y pueden sincronizarse entre ellos para evitar
problemas de compartimiento de recursos. Generalmente, cada hilo tiene una
tarea específica y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso
del procesador.
Estados de un hilo
Los principales estados de los hilos
son: Ejecución, Listo y Bloqueado. No tiene sentido asociar estados de
suspensión de hilos ya que es un concepto de proceso. En todo caso, si un
proceso está expulsado de la memoria principal (RAM),
todos sus hilos deberán estarlo ya que todos comparten el espacio de
direcciones del proceso.
Cambio de estados
- Creación: Cuando se crea un proceso se crea un hilo para ese proceso. Luego, este hilo puede crear otros hilos dentro del mismo proceso, proporcionando un puntero de instrucción y los argumentos del nuevo hilo. El hilo tendrá su propio contexto y su propio espacio de la columna, y pasará al final de los Listos.
- Bloqueo: Cuando un hilo necesita esperar por un suceso, se bloquea (salvando sus registros de usuario, contador de programa y punteros de pila). Ahora el procesador podrá pasar a ejecutar otro hilo que esté en la final de los Listos mientras el anterior permanece bloqueado.
- Desbloqueo: Cuando el suceso por el que el hilo se bloqueó se produce, el mismo pasa a la final de los Listos.
- Terminación: Cuando un hilo finaliza se liberan tanto su contexto como sus columnas.
Ventajas de los hilos contra
procesos
Si bien los hilos son generados a
partir de la creación de un proceso, podemos decir que un proceso es un hilo de
ejecución, conocido como Monohilo. Pero las ventajas de los hilos se dan cuando
hablamos de Multihilos, que es cuando un proceso tiene múltiples hilos de
ejecución los cuales realizan actividades distintas, que pueden o no ser
cooperativas entre sí. Los beneficios de los hilos se derivan de las
implicaciones de rendimiento.
- Se tarda mucho menos tiempo en crear un hilo nuevo en un proceso existente que en crear un proceso. Algunas investigaciones llevan al resultado que esto es así en un factor de 10.
- Se tarda mucho menos en terminar un hilo que un proceso, ya que cuando se elimina un proceso se debe eliminar el BCP1 del mismo, mientras que un hilo se elimina su contexto y pila.
- Se tarda mucho menos tiempo en cambiar entre dos hilos de un mismo proceso
- Los hilos aumentan la eficiencia de la comunicación entre programas en ejecución. En la mayoría de los sistemas en la comunicación entre procesos debe intervenir el núcleo para ofrecer protección de los recursos y realizar la comunicación misma. En cambio, entre hilos pueden comunicarse entre sí sin la invocación al núcleo. Por lo tanto, si hay una aplicación que debe implementarse como un conjunto de unidades de ejecución relacionadas, es más eficiente hacerlo con una colección de hilos que con una colección de procesos separados.
Sincronización de hilos
Todos los hilos comparten el mismo
espacio de direcciones y otros recursos como pueden ser archivos abiertos.
Cualquier modificación de un recurso desde un hilo afecta al entorno del resto
de los hilos del mismo proceso. Por lo tanto, es necesario sincronizar la
actividad de los distintos hilos para que no interfieran unos con otros o
corrompan estructuras de datos.
Una ventaja de la programación
multihilo es que los programas operan con mayor velocidad en sistemas de computadores
con múltiples CPUs
(sistemas multiprocesador o a través de grupo de máquinas) ya que los hilos del
programa se prestan verdaderamente para la ejecución concurrente. En tal caso
el programador
necesita ser cuidadoso para evitar condiciones de carrera (problema que sucede
cuando diferentes hilos o procesos alteran datos que otros también están
usando), y otros comportamientos no intuitivos. Los hilos generalmente
requieren reunirse para procesar los datos en el orden correcto. Es posible que
los hilos requieran de operaciones atómicas para impedir que los
datos comunes sean cambiados o leídos mientras estén siendo modificados, para
lo que usualmente se utilizan los semáforos. El descuido de esto puede
generar interbloqueo.
Ejemplos
Programados (Java):
//Clase
ThreadEjemplo que deriva de Thread
//La
clase Thread maneja hilos de ejecución en java
public class ThreadEjemplo extends Thread {
public ThreadEjemplo(String str) {
super(str);
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 10 ; i++)
System.out.println(i + " " + getName());
System.out.println("Termina thread " + getName());
}
public static void main (String [] args) {
new ThreadEjemplo("Pepe").start();
new ThreadEjemplo("Juan").start();
System.out.println("Termina thread main");
}
}
Ejemplos
Programados (C):
//Uso de hilos en C
int lista_ids[10];
void * foo(void * var) // Función
que ejecutará el thread
{
int my_id = *((int*)var);
printf("Soy el thread %i!\n",
my_id);
return
NULL;
}
int main(int
argc, char *argv[])
{
int i;
pthread_t mythread[10];
for(i=0; i~lt~10; i++)
{
lista_ids[i] = i+1;
printf("Creando thread %i\n",
i+1);
pthread_create(&(mythread[i]), NULL, foo,
&(lista_ids[i]));
//
Ojo: No vale pasar una variable local, como por ejemplo &i
}
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
