Sistemas Operativos – Manejador de procesos – Los Threads

Hola, esta es la tercera parte de la serie de Sistemas operativos.

En el post de Manejador de Procesos – Fundamentos identificamos la manera en que trabaja una CPU y diferenciamos los sistemas monotarea y los sistemas multitarea donde pudimos ver como hace el sistema para ejecutar varios procesos a la vez. Así mismo revisamos el tema de lo que es el estado de ejecución de un proceso en un entorno multitarea.

En el post de Sistemas Operativos – Manejador de procesos – Los Procesos abordamos los conceptos de proceso, contexto, memoria de trabajo, stack y con conjunto de instrucciones.

Ahora revisaremos un tema muy importante, hasta ahora todo ha girado entorno a lo que es un proceso de manera cruda, pero las cosas están a punto de cambiar gracias a los Threads.

Qué es un Thread y su Uso

Un Thread es un mecanismo que permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez de manera concurrente.

Se les parece al concepto de sistema operativo multitatrea?

Si, es parecido, es la misma filosofia que utiliza el OS para ejecutar varios procesos a la vez, pero enfocada ejecutar sub procesos de un mismo proceso, lo cual es un poco diferente ya que por definición los procesos no comparten el espacio de memoria entre si, mientras que los Threads (o hilos como los quieras llamar) si.

un solo thread versus multiples threads

Los Threads son una ampliación del concepto de multitarea, si bien multitarea se refiere a la capacidad de un sistema para ejecutar varios procesos a la vez, en un comienzo esto hacia referencia a que más de una aplicación se estuviera ejecutando de manera concurrente, sin embargo pronto se hizo notoria la necesidad de que una misma aplicación hiciera varias cosas a la vez. Allí nacieron los Threads.

En un sistema multitarea podemos tener los procesos A, B y C ejecutándose simultáneamente, pero que pasaba si el proceso A debía mostrar una interfaz gráfica y de paso estar escribiendo un archivo a la vez? no era posible.

El proceso debía terminar de escribir en disco antes de volver a trabajar en su interfaz gráfica lo cual no era precisamente algo deseable. Así que surgió la idea de permitir que un proceso pueda tener una o mas tareas ejecutándose a la vez o al menos que así lo percibiera el usuario, de tal forma que cada vez que a un proceso le correspondiera un Quantum de ejecución el sistema alterne entre ejecutar una de sus tareas u otra.

Esto conlleva a la necesidad de reestructurar el concepto de proceso, ya que un proceso no es la unidad mínima de ejecución puesto que ahora el proceso es un conjunto de tareas ( en adelante hilos o threads).

Un proceso que en apariencia no utiliza threads realmente se esta ejecutando en un único thread.

Consideraciones de los Procesos y los Thread

De acuerdo a lo que acabamos de ver debemos tener en cuenta un par de cosas.

  • La memoria de trabajo del proceso (de lo cual hablábamos en la parte2) sigue siendo asignada por proceso, los thread dentro del proceso comparten todos la misma región de memoria, el mismo espacio de direcciones.
  • El sistema operativo asigna Quantums de ejecución a cada thread creado, y en efecto ya no calendariza procesos sino cada uno de los hilos en ejecución en el sistema.
  • Cada hilo tiene su propio contexto (estado de ejecución), así que cada vez que que se suspende un hilo para permitir la ejecución de otro, su contexto es guardado y restablecido nuevamente solo cuando es su turno de ejecución.
  • Al ser la unidad mínima de ejecución cada thread tiene su propio stack
  • El proceso si bien ya no es la unidad de ejecución sigue siendo parte fundamental en el funcionamiento del sistema ya que el proceso hace parte de la asignación de prioridad de ejecución, es al que se le asigna memoria y de hecho es al que se le asignan los recursos, así como privilegios y otros datos importantes.
  • El hilo es solo quien se ejecuta ( sin demeritar en absoluto algo tan importante como esto ).

Usar thread no implica necesariamente ejecución en paralelo

Qué sucede si estamos utilizando varios threads en una aplicación que se ejecuta en una maquina con una sola CPU?

Si bien la impresión del usuario es que se están ejecutando varias cosas al tiempo ya esta claro que esto no es así pues en la CPU solo se puede ejecutar una cosa a la vez, lo que esta pasando realmente es que los thread están alternando tiempo de ejecución de una manera tan rápida que el usuario percibe que se están ejecutando al tiempo.

Pero por otro lado...

Qué sucede si la maquina tiene más de una CPU?

En este caso las cosas pueden cambiar, si nuestra aplicación tiene dos hilos y nuestra maquina tiene dos CPU (o core) en efecto cada thread se podría ejecutar en una CPU diferente, en este caso si se puede habar de ejecución en paralelo, aunque no necesariamente pues puede darse el caso en que, debido a la necesidad del sistema de calendarizar threads de otros procesos, ambos thread se ejecuten en la misma CPU en un momento dado, en ese momento no habría paralelismo.

Pero hay otro escenario

Que pasa si mi maquina tiene 2 CPU pero mi aplicación esta utilizando más de 2 thread?

Lo que sucederá es que solo dos de esos thread se estarán ejecutando en paralelo en un momento dado (aunque ya vimos que esto no es necesariamente lo que sucede), y el sistema operativo alternara la ejecución de dichos thread de tal forma que todos tengan Quantums asignados, pero solo podrán haber máximo 2 en paralelo.

Es cierto que usar threads hará que mi aplicación se ejecute más rápido?

De acuerdo a lo que vimos en la sección anterior podemos concluir rotundamente que : DEPENDE.

Como ya vimos si tu maquina tiene solo 1 CPU realmente hará tu aplicación mas lenta, pero con la ventaja de poder efectuar varias tareas a la vez (en apariencia), pero si tienes tantas o más CPU como threads en ejecución el rendimiento si que mejorara, es decir si tienes 2 thread y 2 CPU seguramente que si estarás haciendo dos cosas a la vez y no una cosa cada vez.

El efecto contrario se evidencia toda vez que trates de ejecutar más threads que las CPU que tienes, es decir si vas a ejecutar 20 threads y solo tienes 2 CPU en vez de ganar rendimiento realmente lo que harás será castigarlo puesto que esos thread estarán compitiendo por el tiempo de CPU, lo cual se traduce en múltiples y frecuentes cambios de contexto que harán perder el preciado tiempo de CPU en la lógica necesaria par cambiar de un thread a otro.

En estos escenarios es conveniente administrar la ejecución de los thread para que solo se ejecuten tantos thread como CPUS existan, y solo entren en ejecución threads nuevos cuando hayan CPUS disponibles. Esto es muy engorroso de hacer pero ya hay librerias que ayudan a esto como es el caso de TPL y sus derivados a nivel de lenguaje async/await.

Otra cosa importante de notar es que la creación y la administración de threads es costosa desde el punto de vista del uso de CPU así que si una aplicación que se ejecuta en una maquina con más de una CPU, requiere ejecutar una tarea cortada en partes paralelas probablemente sea mucho mas rápido ejecutarla normalmente que abrirla en threads, mientras que en una tareas suficientemente grande el tiempo invertido en crear y administrar los threads puede ser proporcionalmente insignificante.

Diferencias entre Threads del kernel y Threads de Usuario ( Fibras / Fibers ).

Si, hay diferentes tipos de thread, dependiendo de la estructura del sistema operativo esto puede variar.

Pero en términos generales existen los tipos de thread que he mencionado inicialmente.Veremos como funciona en Windows.

Los thread de Kernel

Todo sistema operativo tiene un kernel, el kernel encargado de todo lo que en esencia es el sistema operativo ofrece muchas funcionalidades, una de ellas crear threads ya que son su unidad minina de ejecución y funcionan muy bien tal como lo hemos visto.

En Windows cada vez que se crea un thread se crea un objeto del kernel que tiene toda la información necesaria respecto a que proceso, cual código ejecutable del thread, etc. están asignados a dicho thread. Este objeto thread existe en el espacio de direcciones asignadas al kernel.

Recordemos que cada proceso solo puede acceder a los objetos o áreas de memoria dentro de su propio espacio de direcciones, entonces Cómo hace un proceso para acceder a un objeto thread que esta en otro espacio de direcciones ( el del kernel )? bueno el kernel como tal se encarga de eso asignándole al proceso un manejador al thread, el kernel mantiene una tabla de que identificadores de recursos tiene asignado el proceso, así que cuando un proceso quiere acceder a algún objeto del kernel, en este caso threads, utiliza funciones de la API de Windows que con el identificador del objeto hacen llamados al kernel los cuales son quienes en ultima instancia manipulan al objeto en su propio espacio de direcciones del kernel.

Entonces, cada vez que en nuestro proceso utilizamos un thread y queremos modificar su comportamiento o verificar su información estadística lo que sucede tras bambalinas es que se hacen llamados al kernel. El kernel proporciona acceso a funcionalidades que puedes modificar o supervisar el funcionamiento del thread.

El kernel se encarga de manera automática de calendarizar la ejecución de cada uno de los thread en ejecución. Si un thread de un proceso invoca a un dispositivo de I/O como por ejemplo la impresora, el thread queda suspendido hasta que la impresora le conteste pero otros thread del mismo proceso seguirán ejecutándose.

Los thread de usuario

Básicamente son los mismos thread de kernel con la diferencia en que estos no son administrados por el kernel del sistema operativo, es decir el sistema operativo no sabe que existen. Son administrados por los programas de usuario.

Un ejemplo de estos son los thread creados en .Net Framework o en java, todos estos thread son creados, calendarizados y administrados por el runtime de cada uno de ellos, el sistema operativo en esencia no sabe nada de ellos. Cada thread del kernel puede tener tener dentro de si uno o mas thread de usuario. El sistema operativo solo calendariza threads de kernel.

Entonces, cada vez que en nuestro proceso utilizamos un user thread y queremos modificar su comportamiento o verificar su información estadística lo que sucede tras bambalinas es que se hacen llamados a funciones dentro del propio espacio de direcciones del proceso y este se encarga de hacer el trabajo necesario. En adelante me referiré a los thread de usuario como fiber.

El propio programa se encarga de manera automática de calendarizar la ejecución de cada uno de los fiber en ejecución.

Si un fiber de un proceso invoca a un dispositivo de I/O como por ejemplo la impresora, el fiber queda suspendido hasta que la impresora le conteste pero los otros fiber del mismo proceso también se bloquearan y no seguirán ejecutándose, porque? recordemos que el sistema operativo no conoce dichos threads así que si uno se bloquea para el sistema operativo es como si todo el proceso estuviese bloqueado así que este tipo de thread son totalmente bloqueantes del proceso cuando están a la espera de respuesta de un dispositivo.

Para solucionar esto, Windows ofrece mecanismos que permiten asociar un fiber a un thread de kernel nuevo independiente , de tal forma que si por ejemplo el java virtual machine detecta que uno de sus thread ( que son en realidad fibers ) queda bloqueado en espera de un dispositivo, la maquina de java para no bloquear los otros thread del proceso crea un nuevo thread de sistema operativo y lo asocia con ese fiber para que el thread principal ( donde corren los demas fiber ) no quede bloqueado.

Diferencias

Dado lo que he explicado anteriormente podemos contemplar los siguientes aspectos:

Los thread de usuario ( fibers ) son mucho más eficientes en escenarios con varios thread que los thread del kernel. Principalmente por dos razones:

  1. Los thread de usuario no requieren ser conmutados en modo kernel sino en modo usuario lo cual permite hacer la conmutación entre threads de manera más rápida al no tener que alternar de contexto.

  2. No son calendarizados de manera preferente, sino que de manera ‘manual’ deben ser suspendidos o reactivados, lo que da la opción de hacer una calendarización mucho más adecuada de acuerdo al juego de threads que se estén ejecutando.

Los thread de usuario tienen la desventaja de que no tienen mayor soporte del sistema operativo lo que conlleva a que hay que hacer mucho trabajo de manera manual, por ejemplo efectuar la calendarización .

Los thread de usuario bloquean a todos los thread del proceso cuando estos están bloqueados a espera de una llamada al kernel o a un dispositivo de IO, lo cual hace que se pierda la funcionalidad de procesamiento paralelo.

Algunos sistemas operativos como es el caso de Windows, proveen funcionalidades para convertir fiber a kernel thread y viceversa , lo cual facilita dar solución a estos escenarios de bloqueo.

En términos generales es mucho mas recomendable trabajar con Kernel Threads que con Fibers, dada su mayor complejidad los fibers pueden traer mas problemas de lo que solucionan. Sin embargo hay escenarios donde la implementación de fibers es muy recomendable y de hecho casi un deber como es en los siguientes casos:

  1. migrar una aplicación de Linux/Unix a Windows
  2. crear un runtime de ejecución de programas como es el caso del CLR o del java virtual machine.
  3. crear una aplicación profundamente compleja e intensiva a nivel de manejo de threads

Eso es todo!

Espero sus comentarios y no duden en compartirlo ;)

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