3.2 MULTIHILOS Y HILOS

Hilos y Multihilos:

En sistemas operativos, un hilo de ejecución o subproceso 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.

Un hilo de ejecución, en sistemas operativos, es una característica que permite a una aplicación realizar varias tareas 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.

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 e 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 es terminado, todos sus hilos de ejecución también lo son. 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). 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.

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.

Multihilo:

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.

Formas de multihilos:

Los sistemas operativos generalmente implementan hilos de dos maneras:

Multihilo apropiativo: permite al sistema operativo determinar cuándo debe haber un cambio de contexto. La desventaja de esto es que el sistema puede hacer un cambio de contexto en un momento inadecuado, causando un fenómeno conocido como inversión de prioridades y otros problemas.

Multihilo cooperativo: depende del mismo hilo abandonar el control cuando llega a un punto de detención, lo cual puede traer problemas cuando el hilo espera la disponibilidad de un recurso.

El soporte de hardware para multihilo desde hace poco se encuentra disponible. Esta característica fue introducida por Intel en el Pentium 4, bajo el nombre de Hyper Threading.

Usos más comunes :

Trabajo interactivo y en segundo plano  

Por ejemplo, en un programa de hoja de cálculo un hilo puede estar visualizando los menús y leer la entrada del usuario mientras que otro hilo ejecuta las órdenes y actualiza la hoja de calculo. Esta medida suele aumentar la velocidad que se percibe en la aplicación, permitiendo que el programa pida la orden siguiente antes de terminar la anterior.

Procesamiento asíncrono

Los elementos asíncronos de un programa se pueden implementar como hilos. Un ejemplo es como los softwares de procesamiento de texto guardan archivos temporales cuando se está trabajando en dicho programa. Se crea un hilo que tiene como función guardar una copia de respaldo mientras se continúa con la operación de escritura por el usuario sin interferir en la misma.

Aceleración de la ejecución

Se pueden ejecutar, por ejemplo, un lote mientras otro hilo lee el lote siguiente de un dispositivo.

Implementaciones

Hay dos grandes categorías en la implementación de hilos:

Hilos a nivel de usuario

Hilos a nivel de Kernel

También conocidos como ULT (User Level Thread) y KLT (Kernel Level Thread)

Hilos a nivel de usuario (ULT) En una aplicación ULT pura, todo el trabajo de gestión de hilos lo realiza la aplicación y el núcleo o kernel no es consciente de la existencia de hilos. Es posible programar una aplicación como multihilo mediante una biblioteca de hilos. La misma contiene el código para crear y destruir hilos, intercambiar mensajes y datos entre hilos, para planificar la ejecución de hilos y para salvar y restaurar el contexto de los hilos.

Todas las operaciones descritas se llevan a cabo en el espacio de usuario de un mismo proceso. El kernel continua planificando el proceso como una unidad y asignándole un único estado (Listo, bloqueado, etc.).

Ventajas de los ULT

El intercambio de los hilos no necesita los privilegios del modo kernel, por que todas las estructuras de datos están en el espacio de direcciones de usuario de un mismo proceso. Por lo tanto, el proceso no debe cambiar a modo kernel para gestionar hilos. Se evita la sobrecarga de cambio de modo y con esto el sobrecoste.

Se puede realizar una planificación específica. Dependiendo de que aplicación sea, se puede decidir por una u otra planificación según sus ventajas.

Los ULT pueden ejecutar en cualquier sistema operativo. La biblioteca de hilos es un conjunto compartido. Desventajas de los ULT

En la mayoría de los sistemas operativos las llamadas al sistema (System calls) son bloqueantes. Cuando un hilo realiza una llamada al sistema, se bloquea el mismo y también el resto de los hilos del proceso.

En una estrategia ULT pura, una aplicación multihilo no puede aprovechar las ventajas de los multiprocesadores. El núcleo asigna un solo proceso a un solo procesador, ya que como el núcleo no interviene, ve al conjunto de hilos como un solo proceso.

Hilos a nivel de núcleo (KLT)

En una aplicación KLT pura, todo el trabajo de gestión de hilos lo realiza el kernel. En el área de la aplicación no hay código de gestión de hilos, únicamente un API (interfaz de programas de aplicación) para la gestión de hilos en el núcleo. Windows 2000, Linux y OS/2 utilizan este método. Linux utiliza un método muy particular en que no hace diferencia entre procesos e hilos, para linux si varios proceso creados con la llamada al sistema “clone” comparten el mismo espacio de direcciones virtuales el sistema operativo los trata como hilos y lógicamente son manejados por el kernel. Ventajas de los KLT

El kernel puede planificar simultáneamente múltiples hilos del mismo proceso en múltiples procesadores.

Si se bloquea un hilo, puede planificar otro del mismo proceso.

Las propias funciones del kernel pueden ser multihilo

Desventajas de los KLT

El paso de control de un hilo a otro precisa de un cambio de modo.

Combinaciones ULT y KLT

Algunos sistemas operativos ofrecen la combinación de ULT y KLT, como Solaris.

La creación de hilos, así como la mayor parte de la planificación y sincronización de los hilos de una aplicación se realiza por completo en el espacio de usuario. Los múltiples ULT de una sola aplicación se asocian con varios KLT. El programador puede ajustar el número de KLT para cada aplicación y máquina para obtener el mejor resultado global.

Usos de Hilos :

Los hilos permiten la combinación del paralelismo con la ejecución secuencial y el bloqueo de las llamadas al sistema.

Consideramos el ejemplo del servidor de archivos con sus posibles organizaciones para muchos hilos de ejecución.

Iniciamos con el modelo servidor / trabajador:

• Un hilo, el servidor, lee las solicitudes de trabajo en el buzón del sistema.
• Elige a un hilo trabajador inactivo (bloqueado) y le envía la solicitud, despertándolo.
• El hilo trabajador verifica si puede satisfacer la solicitud por medio del bloque caché compartido, al que tienen acceso todos los hilos.
• Si no envía un mensaje al disco para obtener el bloque necesario y se duerme esperando el fin de la operación.
• Se llama:
• Al planificador y se inicializa otro hilo, que tal vez sea el servidor, para pedir más trabajo; o.
• A otro trabajador listo para realizar un trabajo.

Los hilos ganan un desempeño considerable pero cada uno de ellos se programa en forma secuencial.

Otro modelo es el de equipo:

• Todos los hilos son iguales y cada uno obtiene y procesa sus propias solicitudes.
• No hay servidor.
• Se utiliza una cola de trabajo que contiene todos los trabajos pendientes, que son trabajos que los hilos no han podido manejar.
• Un hilo debe verificar primero la cola de trabajo antes de buscar en el buzón del sistema.

Un tercer modelo es el de entubamiento:

• El primer hilo genera ciertos datos y los transfiere al siguiente para su procesamiento.
• Los datos pasan de hilo en hilo y en cada etapa se lleva a cabo cierto procesamiento.

Un programa diseñado adecuadamente y que utilice hilos debe funcionar bien:

• En una única cpu con hilos compartidos.
• En un verdadero multiprocesador.