ระบบปฏิบัติการ - Multi-Threading

Thread คืออะไร?

เธรดคือโฟลว์ของการดำเนินการผ่านโค้ดกระบวนการโดยมีตัวนับโปรแกรมของตัวเองที่คอยติดตามว่าคำสั่งใดที่จะดำเนินการต่อไประบบจะลงทะเบียนซึ่งมีตัวแปรการทำงานปัจจุบันและสแต็กซึ่งมีประวัติการดำเนินการ

เธรดใช้ร่วมกับเธรดเพียร์ที่มีข้อมูลเพียงเล็กน้อยเช่นเซ็กเมนต์โค้ดเซ็กเมนต์ข้อมูลและไฟล์ที่เปิด เมื่อเธรดหนึ่งแก้ไขรายการหน่วยความจำส่วนโค้ดเธรดอื่น ๆ ทั้งหมดจะเห็นสิ่งนั้น

เธรดเรียกอีกอย่างว่าไฟล์ lightweight process. เธรดเป็นวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันผ่านการทำงานแบบขนาน เธรดแสดงถึงแนวทางของซอฟต์แวร์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบปฏิบัติการโดยการลดเธรดค่าโสหุ้ยนั้นเทียบเท่ากับกระบวนการแบบดั้งเดิม

แต่ละเธรดเป็นของกระบวนการเดียวและไม่มีเธรดใดอยู่นอกกระบวนการ แต่ละเธรดแสดงถึงการควบคุมที่แยกจากกัน เธรดถูกใช้อย่างประสบความสำเร็จในการติดตั้งเซิร์ฟเวอร์เครือข่ายและเว็บเซิร์ฟเวอร์ นอกจากนี้ยังมีพื้นฐานที่เหมาะสมสำหรับการทำงานแบบขนานของแอปพลิเคชันบนมัลติโปรเซสเซอร์หน่วยความจำแบบแบ่งใช้ รูปต่อไปนี้แสดงการทำงานของกระบวนการเธรดเดียวและมัลติเธรด

ความแตกต่างระหว่างกระบวนการและเธรด

SN	กระบวนการ	เกลียว
1	กระบวนการมีน้ำหนักมากหรือใช้ทรัพยากรมาก	ด้ายมีน้ำหนักเบาใช้ทรัพยากรน้อยกว่ากระบวนการ
2	การสลับกระบวนการต้องการการโต้ตอบกับระบบปฏิบัติการ	การสลับเธรดไม่จำเป็นต้องโต้ตอบกับระบบปฏิบัติการ
3	ในสภาพแวดล้อมการประมวลผลที่หลากหลายแต่ละกระบวนการจะรันโค้ดเดียวกัน แต่มีหน่วยความจำและทรัพยากรไฟล์ของตัวเอง	เธรดทั้งหมดสามารถแชร์ไฟล์ที่เปิดชุดเดียวกันกระบวนการย่อย
4	หากกระบวนการหนึ่งถูกปิดกั้นจะไม่มีกระบวนการอื่นใดสามารถดำเนินการได้จนกว่ากระบวนการแรกจะถูกบล็อก	ในขณะที่เธรดหนึ่งถูกบล็อกและรอเธรดที่สองในภารกิจเดียวกันสามารถรันได้
5	หลายกระบวนการโดยไม่ใช้เธรดใช้ทรัพยากรมากขึ้น	กระบวนการหลายเธรดใช้ทรัพยากรน้อยลง
6	ในหลายกระบวนการแต่ละกระบวนการดำเนินการโดยไม่ขึ้นกับกระบวนการอื่น ๆ	เธรดหนึ่งสามารถอ่านเขียนหรือเปลี่ยนแปลงข้อมูลของเธรดอื่นได้

ข้อดีของเธรด

• เธรดช่วยลดเวลาในการสลับบริบท
• การใช้เธรดให้การทำงานพร้อมกันภายในกระบวนการ
• การสื่อสารที่มีประสิทธิภาพ
• ประหยัดกว่าในการสร้างและสลับเธรดบริบท
• เธรดช่วยให้สามารถใช้สถาปัตยกรรมมัลติโปรเซสเซอร์ได้ในระดับและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ประเภทของเธรด

เธรดถูกนำไปใช้ในสองวิธีต่อไปนี้ -

• User Level Threads - เธรดที่จัดการโดยผู้ใช้

• Kernel Level Threads - เธรดที่มีการจัดการของระบบปฏิบัติการที่ทำหน้าที่บนเคอร์เนลซึ่งเป็นแกนหลักของระบบปฏิบัติการ

เธรดระดับผู้ใช้

ในกรณีนี้เคอร์เนลการจัดการเธรดจะไม่ทราบถึงการมีอยู่ของเธรด ไลบรารีเธรดมีรหัสสำหรับการสร้างและทำลายเธรดสำหรับการส่งข้อความและข้อมูลระหว่างเธรดสำหรับการจัดกำหนดการการทำงานของเธรดและสำหรับการบันทึกและกู้คืนบริบทเธรด แอปพลิเคชันเริ่มต้นด้วยเธรดเดียว

ข้อดี

• การสลับเธรดไม่ต้องการสิทธิ์โหมดเคอร์เนล
• เธรดระดับผู้ใช้สามารถรันบนระบบปฏิบัติการใดก็ได้
• การจัดกำหนดการอาจเป็นแอปพลิเคชันเฉพาะในเธรดระดับผู้ใช้
• เธรดระดับผู้ใช้สร้างและจัดการได้อย่างรวดเร็ว

ข้อเสีย

• ในระบบปฏิบัติการทั่วไปการเรียกระบบส่วนใหญ่จะบล็อก
• แอปพลิเคชันมัลติเธรดไม่สามารถใช้ประโยชน์จากการประมวลผลหลายขั้นตอนได้

เธรดระดับเคอร์เนล

ในกรณีนี้การจัดการเธรดจะทำโดยเคอร์เนล ไม่มีรหัสการจัดการเธรดในพื้นที่แอปพลิเคชัน เคอร์เนลเธรดได้รับการสนับสนุนโดยตรงจากระบบปฏิบัติการ แอปพลิเคชันใด ๆ สามารถตั้งโปรแกรมให้เป็นแบบมัลติเธรดได้ เธรดทั้งหมดภายในแอปพลิเคชันได้รับการสนับสนุนภายในกระบวนการเดียว

เคอร์เนลจะเก็บรักษาข้อมูลบริบทสำหรับกระบวนการโดยรวมและสำหรับแต่ละเธรดภายในกระบวนการ การตั้งเวลาโดยเคอร์เนลจะทำแบบเธรด เคอร์เนลดำเนินการสร้างเธรดการตั้งเวลาและการจัดการในพื้นที่เคอร์เนล โดยทั่วไปเคอร์เนลเธรดจะสร้างและจัดการได้ช้ากว่าเธรดผู้ใช้

ข้อดี

• เคอร์เนลสามารถกำหนดเวลาเธรดหลายเธรดจากกระบวนการเดียวกันในหลายกระบวนการได้พร้อมกัน
• ถ้าเธรดหนึ่งในกระบวนการถูกบล็อกเคอร์เนลสามารถกำหนดเวลาเธรดอื่นของกระบวนการเดียวกันได้
• กิจวัตรของเคอร์เนลเองสามารถเป็นแบบมัลติเธรดได้

ข้อเสีย

• โดยทั่วไปเคอร์เนลเธรดจะสร้างและจัดการได้ช้ากว่าเธรดผู้ใช้
• การถ่ายโอนการควบคุมจากเธรดหนึ่งไปยังอีกเธรดภายในกระบวนการเดียวกันจำเป็นต้องมีการสลับโหมดไปที่เคอร์เนล

โมเดลมัลติเธรด

ระบบปฏิบัติการบางระบบมีเธรดระดับผู้ใช้รวมและสิ่งอำนวยความสะดวกเธรดระดับเคอร์เนล Solaris เป็นตัวอย่างที่ดีของแนวทางรวมนี้ ในระบบรวมเธรดหลายเธรดภายในแอ็พพลิเคชันเดียวกันสามารถทำงานแบบขนานบนโปรเซสเซอร์หลายตัวและการเรียกระบบบล็อกไม่จำเป็นต้องปิดกั้นกระบวนการทั้งหมด แบบจำลองมัลติเธรดมีสามประเภท

• หลายต่อหลายความสัมพันธ์
• ความสัมพันธ์แบบหลายต่อหนึ่ง
• ความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่ง

หลายรุ่น

แบบหลายต่อกลุ่มมัลติเพล็กซ์จำนวนเธรดผู้ใช้จำนวนเท่าใดก็ได้ไปยังเคอร์เนลเธรดที่มีจำนวนเท่ากันหรือน้อยกว่า

แผนภาพต่อไปนี้แสดงโมเดลเธรดแบบกลุ่มต่อกลุ่มโดยที่เธรดระดับผู้ใช้ 6 เธรดกำลังมัลติเพล็กซ์ด้วยเธรดระดับเคอร์เนล 6 เธรด ในโมเดลนี้นักพัฒนาสามารถสร้างเธรดผู้ใช้ได้มากเท่าที่จำเป็นและเคอร์เนลเธรดที่เกี่ยวข้องสามารถรันแบบขนานบนเครื่องมัลติโปรเซสเซอร์ โมเดลนี้ให้ความแม่นยำสูงสุดในการทำงานพร้อมกันและเมื่อเธรดทำการเรียกระบบบล็อกเคอร์เนลสามารถกำหนดเวลาเธรดอื่นสำหรับการดำเนินการ

แบบหลายต่อหนึ่ง

โมเดลแบบหลายต่อหนึ่งจะแมปเธรดระดับผู้ใช้จำนวนมากกับเธรดระดับเคอร์เนลเดียว การจัดการเธรดทำได้ในพื้นที่ผู้ใช้โดยไลบรารีเธรด เมื่อเธรดทำการเรียกระบบบล็อกกระบวนการทั้งหมดจะถูกบล็อก เธรดเดียวเท่านั้นที่สามารถเข้าถึงเคอร์เนลได้ในแต่ละครั้งดังนั้นเธรดหลายเธรดจึงไม่สามารถทำงานแบบขนานบนมัลติโปรเซสเซอร์ได้

หากไลบรารีเธรดระดับผู้ใช้ถูกนำไปใช้ในระบบปฏิบัติการในลักษณะที่ระบบไม่สนับสนุนเธรดเคอร์เนลจะใช้โหมดความสัมพันธ์แบบกลุ่มต่อหนึ่ง

แบบตัวต่อตัว

มีความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่งของเธรดระดับผู้ใช้กับเธรดระดับเคอร์เนล โมเดลนี้ให้การทำงานพร้อมกันมากกว่าโมเดลแบบหลายต่อหนึ่ง นอกจากนี้ยังอนุญาตให้เธรดอื่นทำงานเมื่อเธรดทำการเรียกระบบบล็อก สนับสนุนหลายเธรดเพื่อดำเนินการแบบคู่ขนานบนไมโครโปรเซสเซอร์

ข้อเสียของโมเดลนี้คือการสร้างเธรดผู้ใช้ต้องใช้เคอร์เนลเธรดที่สอดคล้องกัน OS / 2, windows NT และ windows 2000 ใช้รูปแบบความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่ง

ความแตกต่างระหว่าง User-Level และ Kernel-Level Thread

SN	เธรดระดับผู้ใช้	เธรดระดับเคอร์เนล
1	เธรดระดับผู้ใช้สร้างและจัดการได้เร็วกว่า	เธรดระดับเคอร์เนลจะสร้างและจัดการได้ช้ากว่า
2	การนำไปใช้โดยเธรดไลบรารีที่ระดับผู้ใช้	ระบบปฏิบัติการรองรับการสร้างเคอร์เนลเธรด
3	เธรดระดับผู้ใช้เป็นเธรดทั่วไปและสามารถรันบนระบบปฏิบัติการใดก็ได้	เธรดระดับเคอร์เนลเป็นเฉพาะสำหรับระบบปฏิบัติการ
4	แอปพลิเคชันแบบมัลติเธรดไม่สามารถใช้ประโยชน์จากการประมวลผลหลายขั้นตอนได้	กิจวัตรของเคอร์เนลเองสามารถเป็นแบบมัลติเธรดได้