Wątek (informatyka)
Wątek (ang. thread) – część programu wykonywana współbieżnie w obrębie jednego procesu; w jednym procesie może istnieć wiele wątków.
Różnica między zwykłym procesem a wątkiem polega na współdzieleniu przez wszystkie wątki działające w danym procesie przestrzeni adresowej oraz wszystkich innych struktur systemowych (np. listy otwartych plików, gniazd itp.) – z kolei procesy posiadają niezależne zasoby.
Ta cecha ma dwie ważne konsekwencje:
- Wątki wymagają mniej zasobów do działania i też mniejszy jest czas ich tworzenia.
- Dzięki współdzieleniu przestrzeni adresowej (pamięci) wątki jednego zadania mogą się między sobą komunikować w bardzo łatwy sposób, niewymagający pomocy ze strony systemu operacyjnego. Przekazanie dowolnie dużej ilości danych wymaga przesłania jedynie wskaźnika, zaś odczyt (a niekiedy zapis) danych o rozmiarze nie większym od słowa maszynowego nie wymaga synchronizacji (procesor gwarantuje atomowość takiej operacji).
Wątki są udostępniane wprost przez system operacyjny MS Windows, w systemach Linux, BSD i innych dostępna jest biblioteka pthread, dająca jednolity interfejs, ukrywający szczegóły implementacji. W językach programowania używających maszyn wirtualnych (Python, Java itp.) są dostępne również tzw. zielone wątki, które nie są obsługiwane przez system operacyjny, ale samą maszynę wirtualną – to pozwala m.in. na realizację współbieżności nawet wtedy, gdy docelowy system operacyjny nie udostępnia wątków.
Brak synchronizacji między wątkami
edytujW systemach wieloprocesorowych, a także w systemach z wywłaszczaniem, wątki mogą być wykonywane równocześnie (współbieżnie). Równoczesny dostęp do wspólnych danych grozi jednak utratą spójności danych i w konsekwencji błędem działania programu.
Podręcznikowy przykład: ciąg instrukcji odczyt-zmiana-zapis.
Załóżmy, że program ma dane do przetwarzania, umieszczone w N pierwszych komórkach tablicy X. Liczba N zapisana jest w odpowiedniej zmiennej. Algorytm przetwarzania mógłby wyglądać następująco:
- odczytaj zmienną N i sprawdź, czy jest równa 0
- jeśli tak (nie ma danych w X), przejdź do kroku 7.
- (tu wchodzimy, gdy N równe 1 lub więcej) odczytaj wartość X[N]
- zmniejsz wartość N o 1 (zaznacz, że N-ta dana została już zabrana)
- zrób coś z tą odczytaną daną (tu następuje właściwe przetwarzanie)
- (dana obsłużona – zajmij się następną) przejdź do kroku 1.
- (koniec pracy)
Jest to najprostsza pętla opróżniająca stos X. W środowisku jednowątkowym działa zgodnie z oczekiwaniami, przetwarzając kolejno dane X[N], X[N-1], itd. aż do X[1], po czym zatrzymuje się z zerową wartością zmiennej N.
Jednak w środowisku wielowątkowym dwa równoczesne wątki mogą wykonać się w taki sposób (załóżmy N=2):
| wątek 1 | wątek 2 | ||
|---|---|---|---|
| krok | czynność | krok | czynność |
| 1. | odczyt N=2 | ||
| 2. | (nic; N > 0) | 1. | odczyt N=2 |
| 3. | odczyt X[N], czyli X[2] | 2. | (nic; N > 0) |
| 3. | odczyt X[N], czyli X[2] | ||
| 4. | zapis N=1 | ||
| 4. | zapis N=1 | ||
| 5. | (przetwarzanie) | 5. | (przetwarzanie) |
| 6. | (przejście do 1.) | 6. | (przejście do 1.) |
Jak widać, oba wątki pobrały do przetwarzania tę samą daną X[2]. Jeśli nasz program jest systemem księgowym, a w X[2] było zapisane "dokonaj przelewu kwoty xxxx z rachunku nnnn na rachunek mmmm", to przelew zostanie zaksięgowany dwukrotnie.
W dalszym ciągu wykonania tego samego programu możliwy jest również inny przypadek. Przypuśćmy, że wątek nr 1 wolniej przetwarzał X[2] i teraz wątek nr 2 zaczyna kolejny cykl:
| wątek 1 | wątek 2 | ||
|---|---|---|---|
| krok | czynność | krok | czynność |
| 1. | odczyt N=1 | ||
| 1. | odczyt N=1 | 2. | (nic; N > 0) |
| 3. | odczyt X[N], czyli X[1] | ||
| 2. | (nic; N > 0) | ||
| 4. | zapis N=0 | ||
| 3. | odczyt X[N], czyli X[0] | ||
| .... | .... | ||
Pomimo posłużenia się licznikiem N wątek nr 1 usiłuje pobrać nieistniejący element danych spod nielegalnego indeksu – X[0]. W zależności od różnych czynników spowoduje to natychmiastowe awaryjne przerwanie działania programu albo dowolne, nieprzewidywalne zaburzenia (błędy) w dalszym jego działaniu.
Do zapobiegania takim sytuacjom wykorzystuje się mechanizmy synchronizacji wątków: semafory, muteksy, sekcje krytyczne.
