Облегченные потоки

Примечание

Облегченные потоки относятся к специальной тематике. Ознакомьтесь с комментарием, включенным в конце первого абзаца приведенного ниже списка, и решите для себя, стоит ли вам читать данный раздел.

Облегченные потоки (fibers), как говорит само их название, являются элементами потока. Точнее, облегченный поток — это единица выполнения в контексте потока, планируемая приложением, а не ядром. В потоке могут быть запланированы несколько облегченных потоков, и облегченные потоки сами определяют, какой из них должен выполняться следующим. Облегченные потоки имеют независимые стеки, но во всем остальном выполняются исключительно в контексте потока, имея, например, доступ к TLS потока и любому мьютексу[27], владельцем которого является данный поток. Более того, вся работа с облегченными потоками осуществляется вне ядра исключительно в пользовательском пространстве. Между потоками и облегченными потоками существуют многочисленные отличия.

Облегченные потоки могут использоваться в нескольких целях.

• Следует отметить тот немаловажный факт, что во многих приложениях, особенно в приложениях UNIX, использующих патентованные реализации потоков, которые в настоящее время можно, как правило, считать устаревшими, предусмотрено планирование собственных потоков. Использование облегченных потоков упрощает перенос таких приложений в среду Windows. Поскольку для большинства читателей этот вопрос не является актуальным, они, вероятно, предпочтут пропустить данный раздел.

• Потоки вовсе не обязательно должны блокироваться в ожидании блокировки файла, мьютекса, именованного входного канала или иных ресурсов. Вместо этого один облегченный поток может опрашивать ресурсы и, если эти ресурсы остаются недоступными, передавать управление другому указанному облегченному потоку.

• Облегченные потоки действуют в контексте потока и имеют доступ к ресурсам потока и процесса. В отличии от потоков вытесняющее планирование к облегченным потокам не применяется. В действительности планировщику Windows об облегченных потоках ничего не известно; управление такими потоками осуществляется из DLL облегченных потоков исключительно в пользовательском пространстве.

• Облегченные потоки позволяют реализовать механизм сопрограмм (co-routines), посредством которого приложение может переключаться между несколькими взаимосвязанными задачами. Добиться этого с помощью потоков невозможно, поскольку в распоряжении программиста нет средств, обеспечивающих непосредственное управление очередностью выполнения потоков.

• Основные разработчики программного обеспечения, использующие облегченные потоки, представляют этот элемент как фактор повышения производительности. Так, в приложении Oracle Database 10g предусмотрена возможность переключения в "режим облегченных потоков" ("fiber mode") (см. http://download.oracle.com/owsf_2003/40171_colello.ppt; там же находится описание многопоточной модели).

API облегченных потоков представлен шестью функциями. Порядок их использования описывается ниже и иллюстрируется рис. 7.5.

1. Прежде всего, поток должен сделать возможным выполнение облегченного потока, вызвав функцию ConvertThreadToFiber. В результате этого поток становится облегченным потоком, который может рассматриваться в качестве основного (primary). Вызов упомянутой функции обеспечивает получение указателя на данные облегченного потока, который может быть использован во многом так же, как аргумент потока использовался для создания специфических для этого потока данных.

2. Основной или другие облегченные потоки создают дополнительные облегченные потоки с помощью функции CreateFiber. Каждый облегченный поток характеризуется начальным адресом, размером стека и параметром. Каждый новый облегченный поток идентифицируется с помощью адреса, а не дескриптора.

3. Отдельный облегченный поток может получить свои данные, назначенные ему функцией CreateFiber, обратившись к функции GetFiberData.

4. Аналогично, облегченный поток может идентифицировать себя при помощи функции GetCurrentFiber.

5. Выполняющийся облегченный поток может уступить управление другому облегченному потоку, указав его адрес в вызове функции SwitchToFiber. Облегченные потоки должны явно указывать очередной облегченный поток, который должен выполняться в контексте данного потока.

6. Функция DeleteFiber уничтожает существующий облегченный поток и все относящиеся к нему данные.

7. В Windows XP (NT 5.1) наряду с локальными областями хранения облегченных потоков введены новые функции, такие, например, как ConvertFiberToThread (которая освобождает ресурсы, созданные функцией ConvertThreadToFiber).

Рис. 7.5. Передача управления между облегченными потоками внутри потока

Схема взаимодействия между облегченными потоками в контексте потока представлена на рис. 7.5. Этот пример иллюстрирует два способа вытеснения одного потока другим.

• Подчиненное планирование (master-slave scheduling). Только один, главный (master) облегченный поток, в данном случае — основной, принимает решения относительно того, какой облегченный поток должен выполняться, и этот облегченный поток всегда уступает управление главному облегченный потоке. На рис. 7.5 главным является облегченный поток 1.

• Равноправное планирование (peer-to-peer scheduling). Облегченный поток сам определяет, какой из других облегченных потоков должен выполняться следующим. Определение очередного облегченного потока может базироваться на таких стратегиях, как круговое планирование (round-robin scheduling), приоритетное планирование на основании схемы приоритетов и тому подобное. По принципу равноправного планирования реализуются сопрограммы. На рис. 7.5 такого типа передача управления осуществляется между облегченными потоками 0 и 2.

Резюме

Windows поддерживает потоки, которые планируются независимо друг от друга, но разделяют адресное пространство и ресурсы одного и того же процесса. Потоки дают программисту возможность упростить программу и использовать параллелизм выполнения задач для повышения производительности приложения. Потоки могут обеспечивать выигрыш в производительности даже в однопроцессорных системах.