Dev Blog

Процеси та потоки ОС ​

Процес і його ресурси ​

Процес (process) – це програма під час виконання разом з усіма ресурсами, які операційна система для неї виділила. Кожен процес має:

  • власний віртуальний адресний простір (address space): код програми, статичні дані, купу (heap) з об’єктами та стеки потоків; інший процес не може напряму прочитати цю пам’ять;
  • дескриптори (handles) відкритих файлів, сокетів, подій, ключів реєстру;
  • ідентифікатор PID, змінні середовища, поточний каталог, права користувача;
  • щонайменше один потік, який виконує код.

Операційна система ізолює процеси один від одного: збій одного процесу не руйнує пам’ять іншого. Ціна ізоляції – обмін даними між процесами можливий лише через засоби міжпроцесної взаємодії (канали, файли, сокети, спільну пам’ять), а створення процесу дорожче, ніж створення потоку. Усі потоки одного процесу спільно використовують його пам’ять і дескриптори, але кожен потік має власний стек і власний набір регістрів (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура процесу з кількома потоками

Процес проходить кілька станів: створення, готовність до виконання, виконання, очікування (наприклад, введення з диска) і завершення. Точніше, ці стани мають потоки процесу: процес виконується, доки виконується хоча б один його основний потік (див. «Клас Thread»).

Перегляд процесів у Windows і Linux ​

У Windows процеси зручно переглядати в диспетчері завдань (Task Manager, Ctrl+Shift+Esc). На вкладці Details можна додати стовпці Threads і Handles (клацнути правою кнопкою заголовок таблиці → Select columns) і відсортувати процеси за кількістю потоків (рис. 2.2). Навіть проста консольна програма .NET має кілька потоків: крім основного, середовище виконання створює службові потоки (збирання сміття, фіналізація, таймери, налагодження).

Знімок екрана

Task Manager → Details, right-click header → Select columns → Threads, Handles; sort by Threads; the demo process visible

Рис. 2.2. Кількість потоків процесів у диспетчері завдань

У Linux список процесів виводить команда ps, а інтерактивний перегляд дають top і htop. Кожен потік у Linux видно як окреме завдання (task) зі своїм ідентифікатором TID:

bash
ps -eo pid,nlwp,comm --sort=-nlwp | head   # nlwp – кількість потоків
ps -T -p 4120                              # потоки процесу 4120
top -H -p 4120                             # top у режимі потоків
grep Threads /proc/4120/status             # з файлової системи /proc
ls /proc/4120/task                         # каталог на кожен потік

Віртуальна файлова система /proc містить каталог на кожен процес: status (стан, пам’ять, кількість потоків), cmdline, fd (відкриті дескриптори), task (потоки). Утиліта htop показує процеси деревом, а потоки – як дочірні елементи процесу; імена, задані в коді властивістю Thread.Name, стають видимими після ввімкнення відповідного параметра (рис. 2.3).

Знімок екрана

Ubuntu terminal: htop, F2 → Display options → Tree view and Show custom thread names; the .NET demo process expanded with its threads

Рис. 2.3. Потоки процесу .NET в утиліті htop

Потоки операційної системи ​

Потік (thread) – найменша одиниця виконання, яку планує операційна система. Потік має:

  • стек (stack) для локальних змінних і адрес повернення; у Windows за замовчуванням для потоку резервується 1 МБ адресного простору;
  • контекст (context) – значення регістрів процесора, зокрема лічильника команд і вказівника стеку;
  • стан (виконується, готовий, очікує), пріоритет і маску дозволених процесорів.

У .NET використовується модель 1:1: кожен об’єкт System.Threading.Thread відповідає одному потоку операційної системи. Тому все, що сказано про потоки ОС, стосується й потоків C#.

Перемикання контексту ​

Процесорних ядер зазвичай менше, ніж потоків, готових до виконання. Операційна система по черзі надає ядра потокам. Щоб передати ядро іншому потоку, ядро ОС зберігає контекст поточного потоку й відновлює контекст наступного. Цю операцію називають перемиканням контексту (context switch). Вона має пряму вартість (перехід у режим ядра, збереження регістрів, вибір потоку) і непряму: новий потік працює з іншими даними, тому вміст кешу процесора стає «холодним». Прямі витрати оцінюють мікросекундами, але за тисяч перемикань на секунду вони помітно сповільнюють обчислення.

Створення потоку також недешеве: ОС виділяє стек і структури ядра, середовище .NET створює керований об’єкт потоку. Створення й запуск потоку вимірюється десятками мікросекунд. Тому для коротких робіт потоки не створюють щоразу, а беруть готові з пулу потоків (див. «Пул потоків»).

Порада

Обчислювальних потоків, що працюють одночасно, не варто створювати більше, ніж логічних процесорів (Environment.ProcessorCount): зайві потоки не прискорюють роботу, а лише додають перемикань контексту.