В системах с общей памятью, включая многоядерные архитектуры, параллельные вычисления могут выполняться как при многопроцессном выполнении, так и при многопоточном выполнении. Многопроцессное выполнение подразумевает оформление каждой подзадачи в виде отдельной программы (процесса). Недостатком такого подхода является сложность взаимодействия подзадач. Каждый процесс функционирует в своем виртуальном адресном пространстве, не пересекающемся с адресным пространством другого процесса. Для взаимодействия подзадач необходимо использовать специальные средства межпроцессной коммуникации (интерфейсы передачи сообщений, общие файлы, объекты ядра операционной системы).
Потоки позволяют выделить подзадачи в рамках одного процесса. Все потоки одного приложения работают в рамках одного адресного процесса. Для взаимодействия потоков не нужно применять какие-либо средства коммуникации. Потоки могут непосредственно обращаться к общим переменным, которые изменяют другие потоки. Работа с общими переменными приводит к необходимости использования средств синхронизации, регулирующими порядок работы потоков с данными.
Потоки являются более легковесной структурой по сравнению с процессами («облегченные» процессы). Поэтому параллельная работа множества потоков, решающих общую задачу, более эффективна в плане временных затрат, чем параллельная работа множества процессов.
Структура потока
Поток состоит из нескольких структур. Ядро потока – содержит информацию о текущем состоянии потока: приоритет потока, программный и стековый указатели. Программный и стековые указатели образуют контекст потока и позволяют восстановить выполнение потока на процессоре. Блок окружения потока - содержит заголовок цепочки обработки исключений, локальное хранилище данных для потока и некоторые структуры данных, используемые интерфейсом графических устройств (GDI) и графикой OpenGL. Стек пользовательского режима – используется для передаваемых в методы локальных переменных и аргументов. Стек режима ядра - используется, когда код приложения передает аргументы в функцию операционной системы, находящуюся в режиме ядра. Ядро ОС вызывает собственные методы и использует стек режима ядра для передачи локальных аргументов, а также для сохранения локальных переменных.
Состояния потоков
Каждый поток может находиться в одном из нескольких состояний. Поток, готовый к выполнению и ожидающий предоставления доступа к центральному процессору, находится в состоянии «Готовый». Поток, который выполняется в текущий момент времени, имеет статус «Выполняющийся». При выполнении операций ввода-вывода или обращений к функциям ядра операционной системы, поток снимается с процессора и находится в состоянии «Ожидает». При завершении операций ввода-вывода или возврате из функций ядра поток помещается в очередь готовых потоков. При переключении контекста поток выгружается и помещается в очередь готовых потоков.
Переключение контекста
- Значения регистров процессора для исполняющегося в данный момент потока сохраняются в структуре контекста, которая располагается в ядре потока.
- Из набора имеющихся потоков выделяется тот, которому будет передано управление. Если выбранный поток принадлежит другому процессу, Windows переключает для процессора виртуальное адресное пространство.
- Значения из выбранной структуры контекста потока загружаются в регистры процессора.
