3.1 Introduccion
Qué es un Thread? ¿Qué es un Proceso? Un Proceso es algo que te resulta bastante familiar. Si lanzas Microsoft Word y VFP, entonces tienes dos procesos separados que están corriendo al mismo tiempo aunque sólo tengas una CPU. El sistema operativo asigna tiempo a cada uno de los procesos y pasa de uno a otro según le interesa. En un sistema multitarea no-preemptivo (un tarea es sinónimo de un proceso) tal como Windows 3.1, un proceso puede paralizar la ejecución de otro proceso, pues el sistema operativo pasa un mensaje a cada proceso y este lo interpreta, mientras un proceso interpreta un mensaje los demás procesos están detenidos. En un sistema multitarea preemptivo, la CPU realiza un reparto del tiempo de ejecución entre las intrucciones de todos procesos.
Una arquitectura de aplicación basada en un sólo proceso no funciona bien en un servidor de aplicaciones Web. Un usuario con un Browser en Hawaii hace un hit en tu Web y tu servidor Web empieza a procesar la petición. Al mismo tiempo viene otro usuario de Nueva zelanda, y tiene que esperar hasta que la primera petición ha finalizado. Una posible solución a este problema es tener múltiples procesos sirviendo a estas peticiones, de forma que puedan ser respondidas de forma más o menos simultanea. Esto es lo que hacen los CGI. (cada CGI crea un nuevo proceso que crea una página y a continuación termina.) Sin embargo, esto conlleva un uso intensivo en recursos y es ineficiente.
Una mejor solución es tener muchos threads (hilos) dentro de un solo proceso capaz de procesar las peticiones de la Web. Cada proceso tiene un thread principal, pero puede crear muchos threads privados para su propio uso. El sistema operativo no sólo es perfectamente feliz haciendo eso y saltando de un thread a otro dentro del mismo proceso sino que no asigna necesariamente un espacio de memoria a cada uno de los threats privados, mejorando considerablemente el uso de los recursos. Por esta razón los threads gozan de mucha eficiencia. La arquitectura ISAPI se basa en múltiples threads. Cada hit en la web usa uno de un pool de threads para responder a las peticiones.
3.2 Procesos
1. Definición de proceso.
Es una ejecución concreta de un programa, con un camino determinado y un valor de sus variables determinados. La unidad mínima de expedición y de asignación de recursos es el proceso.
2. Estados en los que puede estar un proceso.
- Listo. Tiene todo lo necesario para ejecutarse excepto el procesador.
- Suspendido. No está en memoria principal.
- Bloqueado. Está esperando un evento.
- Bloqueado y suspendido.
- Listo y suspendido.
¿Qué es un proceso?
- Instancia de un programa en ejecución, requiriendo para ello unos Recursos.
- Cuando un proceso se ejecuta pasa por distintos estados.
Posibles estados de un proceso:
- Nuevo: El proceso acaba de crearse.
- En ejecución: La CPU está ejecutando instrucciones del proceso.
- Listo o preparado: El proceso espera a ser asignado a la CPU.
- Bloqueado: El proceso espera a que ocurra un evento.
- Finalizado: El proceso ha finalizado su ejecución.
¿Qué es el descriptor de un proceso?
- Información asociada al proceso: Estado del proceso.
- Información de identificación: Identificador del proceso, información del usuario.
- Registros de CPU: Contador de programa, puntero de pila, registro de datos.
- Información sobre planificación: Algoritmo de planificación, prioridad del proceso.
- Direcciones de memoria: Dirección de inicio y fin del segmento de código, de datos y de pila.
3.3 Creación de Procesos.
Elementos estructurales de un proceso.
- Propiedad de Recursos
- Memoria asignada.
- Canales y/o Dispositivos de I/O asignados.
- Archivos asignados.
- Entidad de Ejecución
- Bloque de Control del Proceso (BCP).
- Estado del Proceso.
- Traza de ejecución (Programa en ejecución y su control).
- Condiciones de trabajo en Multiprogramación
- Varios Procesos deben poder compartir recursos.
- Varios Procesos deben poder trabajar juntos en paralelo.
- Un Proceso debe poder "crear" otro Proceso.
3.4 Comunicación entre Procesos.
La comunicación entre procesos, en inglés IPC (Interprocess Communication) es una función básica de los Sistemas operativos. Los procesos pueden comunicarse entre sí a través de compartir espacios de memoria, ya sean variables compartidas o buffers, o a través de las herramientas provistas por las rutinas de IPC. La IPC provee un mecanismo que permite a los procesos comunicarse y sincronizarse entre sí. Normalmente a través de un sistema de bajo nivel de paso de mensajes que ofrece la red subyacente. La comunicación se establece siguiendo una serie de reglas (protocolos de comunicación). Los protocolos desarrollados para internet son los mayormente usados: IP (capa de red), protocolo de control de transmisión (capa de transporte) y protocolo de transferencia de archivos , protocolo de transferencia de hipertexto (capa de aplicación). Los procesos pueden estar ejecutándose en una o más computadoras conectadas a una red. Las técnicas de IPC están divididas dentro de métodos para: paso de mensajes, sincronización, memoria compartida y llamadas de procediemientos remotos (RPC). El método de IPC usado puede variar dependiendo del ancho de banda y latencia (el tiempo desde el pedido de información y el comienzo del envió de la misma) de la comunicación entre procesos, y del tipo de datos que están siendo comunicados.
La comunicación puede ser:
- Síncrona o asíncrona.
- Persistente (persisntent) o momentánea (transient).
- Directa o Indirecta.
- Simétrica o Asimética.
- Con uso de buffers explícito o automático.
- Envío por copia el mensaje o por referencia.
- Mensajes de tamaño fijo o variable.
Síncrona:
Quien envía permanece bloqueado esperando a que llegue una respuesta del receptor antes de realizar cualquier otra tarea.
Asíncrona:
Quien envía continúa con su ejecución inmediatamente después de enviar el mensaje al receptor.
Persistente:
El receptor no tiene que estar operativo al mismo tiempo que se realiza la comunicación, el mensaje se almacena tanto tiempo .
Momentánea (transient):
El mensaje se descarta si el receptor no está operativo al tiempo que se realiza la comunicación. Por lo tanto no será entregado.
Directa:
Las primitivas enviar y recibir explicitan el nombre del proceso con el que se comunican.
Indirecta:
La comunicación indirecta se implementa mediante puertos, en alguna bibliografía se lo denomina buzones.
Simétrica:
Todos los procesos pueden enviar o recibir. También llamada bidireccional para el caso de dos procesos.
Asimétrica:
Un proceso puede enviar, los demás procesos solo reciben. También llamada unidireccional.
3.5 Hilos.
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 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.
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 especifica 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 pila, y pasara a la cola de 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 cola de Listos mientras el anterior permanece bloqueado.
- Desbloqueo: Cuando el suceso por el que el hilo se bloqueó se produce, el mismo pasa a la cola de Listos.
- Terminación: Cuando un hilo finaliza se liberan tanto su contexto como sus pilas.
En sistemas operativos, 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 simplemente una tarea que puede ser ejecutada al mismo tiempo 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 procesosFuncionalidad de los hilosEstados de un hiloCambio 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 1. 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. 1. Se tarda mucho menos en terminar un hilo que un proceso, ya que cuando se elimina un proceso se debe eliminar el BCP del mismo, mientras que un hilo se elimina su contexto y pila. 1. Se tarda mucho menos tiempo en cambiar entre dos hilos de un mismo proceso 1. 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 hilosFormas de multihilos 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. Usos más comunesTrabajo interactivo y en segundo planoProcesamiento asíncronoAceleración de la ejecuciónEstructuración modular de los programasImplementaciones Hilos a nivel de usuario. Hilos a nivel de kernel. Hilos a nivel de usuario (ULT) Ventajas de los ULT El intercambio de los hilos no necesita los privilegios del modo kernel, porque 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 u overhead. 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) 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 KLTLos 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 eldispatcher) 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.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 especifica y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador. 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. 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. 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. Los sistemas operativos generalmente implementan hilos de dos maneras:El soporte de hardware para multihilo se encuentra disponible desde hace mucho tiempo, en los 386 por ejemplo http://en.wikipedia.org/wiki/Compaq_SystemPro Hace relativamente poco tiempo, Esta característica es utilizada por el gran publico, Soportada nativamente por los Intel en el Pentium Pro y los pentium II y III en la version domestica, eliminada posteriormente en los celeron, al descubrirse que podia ser desbloqueado, y posteriormente reintroducido en el Pentium 4, bajo el nombre de HyperThreading. Los usos más comunes son en tecnologías SMPP y SMS para la telecomunicaciones aquí hay muchísimos procesos corriendo a la vez y todos requiriendo de un servicio.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 cálculo. 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. 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. Es como 2 programas independientes. Se pueden ejecutar, por ejemplo, un lote mientras otro hilo lee el lote siguiente de un dispositivo.Puede ser un mecanismo eficiente para un programa que ejecuta una gran variedad de actividades, teniendo las mismas bien separadas mediante hilos que realizan cada una de ellas. Hay dos grandes categorías en la implementación de hilos:También conocidos como ULT (user level thread) y KLT (kernel level thread)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.). Una solución al bloqueo mediante a llamadas al sistema es usando la técnica de jacketing, que es convertir una llamada bloqueante en no bloqueante.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 el que no hace diferencia entre procesos e hilos. Para Linux, si varios procesos 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. Algunas distribuciones de linux y derivados de UNIX ofrecen la combinación de ULTss y KLT, como Solaris,Ubuntu y Fedora. 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. En un método combinado, los múltiples hilos de una aplicación se pueden ejecutar en paralelo en múltiples procesadores y las llamadas al sistema bloqueadoras no necesitan bloquear todo el proceso.
Un hilo es simplemente una tarea que puede ser ejecutada al mismo tiempo 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 procesosFuncionalidad de los hilosEstados de un hiloCambio 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 1. 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. 1. Se tarda mucho menos en terminar un hilo que un proceso, ya que cuando se elimina un proceso se debe eliminar el BCP del mismo, mientras que un hilo se elimina su contexto y pila. 1. Se tarda mucho menos tiempo en cambiar entre dos hilos de un mismo proceso 1. 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 hilosFormas de multihilos 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. Usos más comunesTrabajo interactivo y en segundo planoProcesamiento asíncronoAceleración de la ejecuciónEstructuración modular de los programasImplementaciones Hilos a nivel de usuario. Hilos a nivel de kernel. Hilos a nivel de usuario (ULT) Ventajas de los ULT El intercambio de los hilos no necesita los privilegios del modo kernel, porque 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 u overhead. 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) 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 KLTLos 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 eldispatcher) 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.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 especifica y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador. 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. 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. 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. Los sistemas operativos generalmente implementan hilos de dos maneras:El soporte de hardware para multihilo se encuentra disponible desde hace mucho tiempo, en los 386 por ejemplo http://en.wikipedia.org/wiki/Compaq_SystemPro Hace relativamente poco tiempo, Esta característica es utilizada por el gran publico, Soportada nativamente por los Intel en el Pentium Pro y los pentium II y III en la version domestica, eliminada posteriormente en los celeron, al descubrirse que podia ser desbloqueado, y posteriormente reintroducido en el Pentium 4, bajo el nombre de HyperThreading. Los usos más comunes son en tecnologías SMPP y SMS para la telecomunicaciones aquí hay muchísimos procesos corriendo a la vez y todos requiriendo de un servicio.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 cálculo. 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. 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. Es como 2 programas independientes. Se pueden ejecutar, por ejemplo, un lote mientras otro hilo lee el lote siguiente de un dispositivo.Puede ser un mecanismo eficiente para un programa que ejecuta una gran variedad de actividades, teniendo las mismas bien separadas mediante hilos que realizan cada una de ellas. Hay dos grandes categorías en la implementación de hilos:También conocidos como ULT (user level thread) y KLT (kernel level thread)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.). Una solución al bloqueo mediante a llamadas al sistema es usando la técnica de jacketing, que es convertir una llamada bloqueante en no bloqueante.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 el que no hace diferencia entre procesos e hilos. Para Linux, si varios procesos 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. Algunas distribuciones de linux y derivados de UNIX ofrecen la combinación de ULTss y KLT, como Solaris,Ubuntu y Fedora. 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. En un método combinado, los múltiples hilos de una aplicación se pueden ejecutar en paralelo en múltiples procesadores y las llamadas al sistema bloqueadoras no necesitan bloquear todo el proceso.
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