چندریسمانی

چندریسمانی (به انگلیسی:Multithreading) توانایی یک برنامه در تقسیم شدن به چند ریسمان (زیربرنامه) است که می‌توانند جداگانه و در عین حال همزمان توسط رایانه اجرا شوند. یک رایانه چندپردازنده‌ای می‌تواند همزمان دو یا چند ریسمان را اجرا کند که به معنی اجرای زودتر کل برنامه نسبت به رایانه تک‌پرداز است. بر روی یک رایانه تک‌پردازنده یک برنامه چند ریسمانی زودتر اجرا نمی‌شود اما یک نرم‌افزار کاربردی چندریسمانی ممکن است با کاربر اندرکنش بیشتری داشته باشد زیرا چندین فعالیت در نرم‌افزار همزمان اجرا می‌شوند. نرم‌افزارهای سنتی تک‌ریسمان‌ای بر روی سیستم‌های چندپردازنده سریع‌تر اجرا نمی‌شوند زیرا ان نرم‌افزارها در هر زمان می‌توانند تنها یک پردازنده را به کار بگیرند. این قابلیت موجب مصرف انرژی برق کمتر نیز می‌شود.

ریسمان ها و فرایند ها

زمینه

ریسمان یک واحد اساسی بهره گیری از CPU است. یک ریسمان شامل یک شناسه ریسمان ، شمارنده برنامه (PC) ، یک مجموعه ثبات ، و یک پشته است. بخش کد ، بخش داده و سایر منابع سیستم عامل مانند پرونده های باز و سیگنال ها ، بین ریسمان های متعلق به یک فرایند به اشتراک گذاشته می شود. یک فرآیند بطور مرسوم دارای یک ریسمان کنترل است. اگر فرآیندی دارای چندین ریسمان کنترل باشد ، می تواند همزمان بیش از یک کار را انجام دهد.

فرایندهای تک ریسمانی و چندریسمانی

اکثر برنامه های نرم افزاری که روی رایانه ها و دستگاه های موبایل جدید اجرا می شوند چند ریسمانی هستند. یک برنامه معمولاً به شکل یک فرایند جداگانه با چندین ریسمان کنترل اجرا می شود. در زیر چند نمونه از برنامه های چند ریسمانی را آورده ایم:

• برنامه ای که از مجموعه ی تصاویر نمونه عکس های کوچک ایجاد می کند ، ممکن است از یک ریسمان جداگانه برای ایجاد نمونه تصویر کوچک از هر تصویر جداگانه استفاده کند.
• یک مرورگر وب ممکن است دارای یک ریسمان برای نمایش تصاویر یا متون باشد، در حالی که ریسمانی دیگر داده ها را از شبکه بازیابی می کند.
• یک پردازشگر کلمه ممکن است دارای یک ریسمان برای نمایش گرافیک ، یک ریسمان دیگر برای پاسخ دادن به فشار دادن کلید ها از سوی کاربر و یک ریسمان سوم برای انجام املا و چک دستور زبان در پس زمینه باشد.

برنامه ها همچنین می توانند با هدف حداکثر بهره گیری از قابلیت پردازش در سیستم های چند هسته ای طراحی شوند. چنین برنامه هایی می توانند چندین کار پردازنده ای سنگین را به طور موازی در چندین هسته محاسباتی انجام دهند.

در شرایط خاص ، ممکن است برای انجام چندین کار مشابه ، به یک برنامه واحد نیاز باشد. به عنوان مثال ، یک سرور وب درخواست های مشتری را برای صفحات وب ، تصاویر ، صدا و غیره می پذیرد. ممکن است چندین (شاید هزاران مشتری) همزمان به یک وب سرور شلوغ دسترسی پیدا کنند. اگر وب سرور به صورت یک فرایند تک ریسمانی سنتی اجرا شود ، می تواند در هر لحظه فقط به یک خدمت گیرنده سرویس دهد و مشتری مجبور است مدت زمان زیادی منتظر سرویس دهی برای درخواست خود بماند.

یک راه حل این است که سرور به شکل یک فرآیند اجرا شود که درخواست ها را می پذیرد. وقتی سرور درخواستی را دریافت می کند ، فرآیند جداگانه ای برای سرویس دهی به آن درخواست ایجاد می کند. در حقیقت ، این روش ایجاد فرآیند معمولاً قبل از رایج شدن ریسمان ها، مورد استفاده قرار می گرفت. با این وجود، ایجاد فرآیند زمان بر است و منابع زیادی را به کار می گیرد. اگر فرایند جدید وظایفی شبیه فرآیند موجود را انجام می دهد ، چرا این همه هزینه سربار را متحمل شویم؟ به طور کلی استفاده از یک فرآیند حاوی چندین ریسمان کارآمدتر است. اگر فرایند سرور وب چند ریسمانی باشد ، سرور یک ریسمان جداگانه ایجاد می کند که به درخواست های مشتریان گوش می دهد. هنگامی که درخواستی صورت می گیرد ، سرور به جای ایجاد فرایندی دیگر ، یک ریسمان جدید برای سرویس دهی به درخواست جدید ایجاد می کند و مجددا منتظر درخواست های بعدی می ماند.

یک سرور وب که از چند ریسمانی برای خدمت دهی به مشتریان بهره می برد. برای هر درخواست جدید یک ریسمان جدید ایجاد میشود.

اکثر هسته های سیستم عامل نیز به طور معمول چند ریسمانی هستند. به عنوان مثال ، در زمان بوت شدن سیستم در سیستم های لینوکس ، چندین ریسمان هسته ایجاد می شود. هر ریسمان وظیفه خاصی مانند مدیریت دستگاه ها ، مدیریت حافظه یا مدیریت وقفه را انجام می دهد. از دستور ps -ef می توان برای نمایش ریسمان های هسته در سیستم عامل لینوکس استفاده کرد. بررسی خروجی این دستور ، ریسمان هسته ی kthreadd را (با pid = 2) نشان می دهد ، که نقش والد را برای سایر ریسمان های هسته ایفا می کند.

بسیاری از برنامه ها نیز می توانند از چندین ریسمان، بهره ببرند، از جمله، الگوریتم های اساسی مرتب سازی ، درختان و گراف ها. علاوه بر این ، برنامه نویساني كه بايد مسأله های سنگین پردازشی کنونی در داده کاوي ، گرافيك و هوش مصنوعي را حل كنند ، مي توانند با طراحي راه حل هايي كه به طور موازي اجرا مي شوند ، از قدرت سيستم هاي چند هسته اي جدید حداکثر استفاده را بكنند.

مزایا

مزایای برنامه‌نویسی چند ریسمانی را می‌توان به چهار دسته عمده تقسیم کرد:

1. پاسخگویی. چند ریسمانی کردن یک برنامه تعاملی ممکن است به برنامه اجازه دهد که حتی اگر بخشی از آن مسدود شده باشد یا عملیاتی طولانی را انجام دهد، به اجرا ادامه دهد و در نتیجه پاسخگویی به کاربر را افزایش دهد. این خاصیت به ویژه در طراحی رابط‌های کاربری بسیار مفید است. به عنوان مثال، در نظر بگیرید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی کاربر دکمه ای را کلیک می‌کند که منجر به انجام یک عملیات وقت گیر می‌شود. یک برنامه تک ریسمانی تا زمانی که عملیات به پایان نرسد، پاسخگوی کاربر نخواهد بود. در مقابل، اگر عملیات زمان بر در یک ریسمان جداگانه و ناهمگام انجام شود، برنامه همچنان پاسخگو به کاربر است.
2. اشتراک منابع. فرایندها می‌توانند منابع را فقط از طریق تکنیک‌هایی مانند حافظه مشترک و انتقال پیام به اشتراک بگذارند. چنین تکنیک‌هایی باید به‌طور صریح توسط برنامه‌نویس تدارک دیده شوند. با این حال، ریسمان‌ها به‌طور پیش فرض حافظه و منابع فرایند را به اشتراک می‌گذارند. فایده اشتراک کد و داده این است که به یک برنامه اجازه می‌دهد چندین ریسمان فعالیتی مختلف در فضای آدرس یکسان داشته باشد.
3. اقتصادی بودن. اختصاص حافظه و منابع برای ایجاد فرایند هزینه بر است. از آنجا که ریسمان‌ها منابع فرآیندی را که به آن تعلق دارند به اشتراک می‌گذارند، ایجاد و تغییر ریسمان‌ها اقتصادی تر است. ارزیابی تجربی تفاوت در سربار ممکن است دشوار باشد، اما به‌طور کلی ایجاد ریسمان، زمان و حافظه کمتری نسبت به ایجاد فرایند می‌برد. علاوه بر این، تعویض زمینه بین ریسمان‌ها معمولاً سریعتر از پردازش‌ها است.
4. مقیاس پذیری. مزایای چند ریسمانی می‌تواند در معماری چند پردازنده، که در آن ممکن است ریسمان‌ها به‌طور موازی روی هسته‌های پردازشی مختلف اجرا شوند، حتی بیشتر باشد. یک فرایند تک ریسمانی، صرف نظر از تعداد پردازنده‌های موجود فقط می‌تواند در یک پردازنده اجرا شود.

جستارهای وابسته

• الگوریتم‌های چندریسمانی
• چندریسمانی همزمان
• فراریسمانی