الخيوط (الحوسبة)

على مستوى النواة، تحتوي العملية على خيط نواة واحد أو أكثر ، تتشارك موارد العملية، مثل الذاكرة ومقابض الملفات - فالعملية هي وحدة موارد، بينما الخيط هو وحدة جدولة وتنفيذ. تتم جدولة النواة عادةً بشكل موحد استباقيًا، أو بشكل أقل شيوعًا، بشكل تعاوني. على مستوى المستخدم، يمكن لعملية مثل نظام التشغيل جدولة عدة خيوط تنفيذ. إذا لم تتشارك هذه الخيوط البيانات، كما هو الحال في إرلانج ، فإنها تُسمى عادةً عمليات ^{[ 9 ]} ، بينما إذا كانت تتشارك البيانات، فإنها تُسمى عادةً خيوط (مستخدم) ، خاصةً إذا تمت جدولتها استباقيًا. تُعرف خيوط المستخدم المجدولة تعاونيًا باسم الألياف ؛ وقد تُجدول العمليات المختلفة خيوط المستخدم بشكل مختلف. يمكن تنفيذ خيوط المستخدم بواسطة خيوط النواة بطرق متنوعة (واحد إلى واحد، متعدد إلى واحد، متعدد إلى متعدد). يشير مصطلح العملية الخفيفة الوزن بشكل مختلف إلى خيوط المستخدم أو إلى آليات النواة لجدولة خيوط المستخدم على خيوط النواة.

تُعدّ العملية وحدةً أساسيةً في جدولة نواة النظام، إذ أن إنشاء العمليات وتدميرها والتبديل بينها عمليةٌ مكلفةٌ نسبيًا. تمتلك العمليات مواردَ يُخصّصها نظام التشغيل، وتشمل هذه الموارد الذاكرة (للكود والبيانات)، ومقابض الملفات ، والمآخذ، ومقابض الأجهزة، والنوافذ، ووحدة تحكّم العملية . تُعزل العمليات عن بعضها البعض من خلال مبدأ عزل العمليات ، ولا تتشارك مساحات العناوين أو موارد الملفات إلا عبر طرقٍ صريحةٍ مثل وراثة مقابض الملفات أو مقاطع الذاكرة المشتركة، أو ربط الملف نفسه بطريقةٍ مشتركة - انظر: الاتصال بين العمليات . يُعدّ إنشاء عملية أو تدميرها عمليةً مكلفةً نسبيًا، إذ يجب الحصول على الموارد أو تحريرها. عادةً ما تُنفّذ العمليات مهامًا متعددةً استباقيةً، ويُعدّ التبديل بين العمليات مكلفًا نسبيًا، بالإضافة إلى التكلفة الأساسية للتبديل بين السياقات ، وذلك بسبب مشكلاتٍ مثل مسح ذاكرة التخزين المؤقت (على وجه الخصوص، يُغيّر التبديل بين العمليات عناوين الذاكرة الافتراضية، مما يُؤدّي إلى إبطال مفعول مخزن الترجمة غير المُوسوم (TLB) وبالتالي مسحه، لا سيما على معالجات x86 ).

خيط النواة هو وحدة خفيفة الوزن لجدولة النواة. يوجد خيط نواة واحد على الأقل داخل كل عملية. إذا وُجدت عدة خيوط نواة داخل عملية واحدة، فإنها تتشارك نفس موارد الذاكرة والملفات. تُنفذ خيوط النواة بشكل استباقي متعدد المهام إذا كان مُجدول العمليات في نظام التشغيل استباقيًا. لا تمتلك خيوط النواة موارد باستثناء المكدس ، ونسخة من السجلات بما في ذلك عداد البرنامج ، والتخزين المحلي للخيط (إن وُجد)، وبالتالي فإن إنشاءها وتدميرها غير مكلف نسبيًا. كما أن تبديل الخيوط غير مكلف نسبيًا: فهو يتطلب تبديل السياق (حفظ واستعادة السجلات ومؤشر المكدس)، ولكنه لا يُغير الذاكرة الافتراضية، وبالتالي فهو مُناسب لذاكرة التخزين المؤقت (مما يُبقي ذاكرة الترجمة السريعة صالحة). يُمكن للنواة تعيين خيط برمجي واحد أو أكثر لكل نواة في وحدة المعالجة المركزية (مع إمكانية تعيين عدة خيوط برمجية لنفسها اعتمادًا على دعمها لتعدد الخيوط)، كما يُمكنها استبدال الخيوط المُعلقة. مع ذلك، يستغرق تبديل خيوط النواة وقتًا أطول بكثير من تبديل خيوط المستخدم.

تُنفَّذ الخيوط أحيانًا في مكتبات مساحة المستخدم ، ولذا تُسمى خيوط المستخدم . لا يدركها نظام التشغيل، لذا تُدار وتُجدول في مساحة المستخدم. تعتمد بعض التطبيقات خيوط المستخدم الخاصة بها على عدة خيوط في نظام التشغيل، للاستفادة من الأجهزة متعددة المعالجات ( نموذج M:N ). تُسمى خيوط المستخدم كما تُنفَّذ بواسطة الآلات الافتراضية أيضًا بالخيوط الخضراء .

بما أن تنفيذ خيوط المستخدم يتم عادةً بالكامل في مساحة المستخدم، فإن تبديل السياق بين خيوط المستخدم ضمن نفس العملية يكون فعالاً للغاية لأنه لا يتطلب أي تفاعل مع النواة على الإطلاق: يمكن إجراء تبديل السياق عن طريق حفظ سجلات وحدة المعالجة المركزية المستخدمة من قبل خيط المستخدم أو الليف قيد التنفيذ حاليًا محليًا، ثم تحميل السجلات المطلوبة من قبل خيط المستخدم أو الليف المراد تنفيذه. وبما أن الجدولة تتم في مساحة المستخدم، يمكن بسهولة أكبر تخصيص سياسة الجدولة لتلبية متطلبات عبء عمل البرنامج.

مع ذلك، قد يُسبب استخدام استدعاءات النظام المُعطِّلة في سلاسل عمليات المستخدم (مقارنةً بسلاسل عمليات النواة) مشاكل. فإذا نفّذت سلسلة عمليات مستخدم أو ليف استدعاء نظام مُعطِّل، فلن تتمكن سلاسل عمليات المستخدم والألياف الأخرى في العملية من العمل حتى يعود استدعاء النظام. ومن الأمثلة الشائعة على هذه المشكلة عمليات الإدخال/الإخراج: إذ تُكتب معظم البرامج لتنفيذ عمليات الإدخال/الإخراج بشكل متزامن. عند بدء عملية إدخال/إخراج، يُجرى استدعاء نظام، ولا يعود إلا بعد اكتمال عملية الإدخال/الإخراج. وخلال هذه الفترة، تُعطَّل العملية بأكملها بواسطة النواة، فلا يُمكنها العمل، مما يحرم سلاسل عمليات المستخدم والألياف الأخرى في نفس العملية من التنفيذ.

يتمثل أحد الحلول الشائعة لهذه المشكلة (والمستخدمة بشكل خاص في العديد من تطبيقات الخيوط الخضراء) في توفير واجهة برمجة تطبيقات للإدخال/الإخراج تُنفذ واجهة تُوقف الخيط المُستدعي، بدلاً من العملية بأكملها، وذلك باستخدام إدخال/إخراج غير مُوقف داخليًا، وجدولة خيط مستخدم أو ليف آخر أثناء عملية الإدخال/الإخراج. ويمكن توفير حلول مماثلة لاستدعاءات النظام الأخرى المُوقفة. بدلاً من ذلك، يمكن كتابة البرنامج لتجنب استخدام الإدخال/الإخراج المتزامن أو استدعاءات النظام الأخرى المُوقفة (وخاصةً باستخدام الإدخال/الإخراج غير المُوقف، بما في ذلك استمرارات لامدا و/أو بدائيات async/ await ^{[ 10 ]} ).

تُعدّ الألياف وحدة جدولة أخف وزنًا، وتُجدول بشكل تعاوني : إذ يجب على الليف الجاري أن يتوقف صراحةً للسماح لليف آخر بالعمل، مما يجعل تنفيذها أسهل بكثير من سلاسل العمليات في النواة أو المستخدم . يمكن جدولة الليف للعمل في أي سلسلة عمليات ضمن نفس العملية. وهذا يسمح للتطبيقات بتحسين الأداء من خلال إدارة الجدولة بنفسها، بدلًا من الاعتماد على مُجدول النواة (الذي قد لا يكون مُهيأً للتطبيق). تُنفذ بعض التطبيقات البحثية لنموذج البرمجة المتوازية OpenMP مهامها من خلال الألياف. ^{[ 11 ] [ 12 ]} ترتبط الروتينات الفرعية ارتباطًا وثيقًا بالألياف ، مع اختلاف جوهري يتمثل في أن الروتينات الفرعية بنية على مستوى اللغة، بينما الألياف بنية على مستوى النظام.

تختلف الخيوط عن عمليات نظام التشغيل التقليدية متعددة المهام في عدة جوانب:

• تكون العمليات عادةً مستقلة، بينما توجد الخيوط كمجموعات فرعية من عملية واحدة.
• تحمل العمليات معلومات حالة أكثر بكثير من الخيوط، في حين أن الخيوط المتعددة داخل العملية تتشارك حالة العملية بالإضافة إلى الذاكرة والموارد الأخرى
• تمتلك العمليات مساحات عناوين منفصلة ، ​​بينما تتشارك الخيوط مساحة عناوينها.
• لا تتفاعل العمليات إلا من خلال آليات الاتصال بين العمليات التي يوفرها النظام
• يحدث تبديل السياق بين الخيوط في نفس العملية عادةً بشكل أسرع من تبديل السياق بين العمليات

يقال إن أنظمة مثل Windows NT و OS/2 تحتوي على خيوط رخيصة وعمليات مكلفة ؛ في أنظمة التشغيل الأخرى لا يوجد فرق كبير باستثناء تكلفة تبديل مساحة العنوان ، والذي يؤدي في بعض البنى (لا سيما x86 ) إلى مسح مخزن البحث عن الترجمة (TLB).

تشمل مزايا وعيوب استخدام الخيوط مقابل العمليات ما يلي:

• انخفاض استهلاك الموارد للخيوط: باستخدام الخيوط، يمكن للتطبيق أن يعمل باستخدام موارد أقل مما يحتاجه عند استخدام عمليات متعددة.
• تبسيط مشاركة وتواصل الخيوط: على عكس العمليات، التي تتطلب آلية تمرير الرسائل أو الذاكرة المشتركة لإجراء الاتصال بين العمليات (IPC)، يمكن للخيوط التواصل من خلال البيانات والتعليمات البرمجية والملفات التي تتشاركها بالفعل.
• يؤدي خلل في العملية بسبب تداخل الخيوط : نظرًا لتشارك الخيوط في نفس مساحة العنوان، فإن عملية غير قانونية يقوم بها أحد الخيوط يمكن أن تؤدي إلى تعطل العملية بأكملها؛ لذلك، يمكن لخيط واحد يتصرف بشكل سيئ أن يعطل معالجة جميع الخيوط الأخرى في التطبيق.

تُجدول أنظمة التشغيل الخيوط إما بشكل استباقي أو تعاوني . تُفضل أنظمة التشغيل متعددة المستخدمين عمومًا تعدد الخيوط الاستباقي لما يوفره من تحكم أدق في وقت التنفيذ عبر تبديل السياق . مع ذلك، قد يُبدّل الجدولة الاستباقية سياق الخيوط في لحظات غير متوقعة من قِبل المبرمجين، مما يُسبب تراكم الأقفال ، أو انعكاس الأولوية ، أو آثارًا جانبية أخرى. في المقابل، يعتمد تعدد الخيوط التعاوني على الخيوط للتخلي عن التحكم في التنفيذ، مما يضمن اكتمالها . قد يُسبب هذا مشاكل إذا توقف خيط مُتعدد المهام تعاونيًا بسبب انتظار مورد ما، أو إذا حرم خيوطًا أخرى من الموارد بعدم التخلي عن التحكم في التنفيذ أثناء العمليات الحسابية المكثفة.

حتى أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت معظم أجهزة الكمبيوتر المكتبية مزودة بمعالج أحادي النواة فقط، دون دعم للخيوط البرمجية ، على الرغم من استمرار استخدام الخيوط في هذه الأجهزة لأن التبديل بينها كان أسرع عمومًا من تبديل سياق العملية بالكامل . في عام 2002، أضافت إنتل دعمًا للخيوط المتعددة المتزامنة إلى معالج بنتيوم 4 ، تحت مسمى " الخيوط الفائقة" ؛ وفي عام 2005، طرحت معالج بنتيوم دي ثنائي النواة ، بينما طرحت AMD معالج أثلون 64 X2 ثنائي النواة .

تُطبّق الأنظمة ذات المعالج الواحد عادةً تقنية تعدد الخيوط عبر تقسيم الوقت : حيث تقوم وحدة المعالجة المركزية (CPU) بالتبديل بين خيوط برمجية مختلفة . ويحدث هذا التبديل بين السياقات بشكل متكرر بما يكفي ليُدرك المستخدمون أن الخيوط أو المهام تعمل بالتوازي (في أنظمة تشغيل الخوادم/أجهزة سطح المكتب الشائعة، غالبًا ما يكون الحد الأقصى لوقت تنفيذ الخيط، عندما تنتظر خيوط أخرى، محدودًا بـ 100-200 مللي ثانية). أما في الأنظمة متعددة المعالجات أو متعددة النوى ، فيمكن تنفيذ خيوط متعددة بالتوازي ، حيث يُنفّذ كل معالج أو نواة خيطًا منفصلاً في الوقت نفسه؛ وفي المعالجات أو النوى المزودة بخيوط مادية ، يمكن أيضًا تنفيذ خيوط برمجية منفصلة بالتزامن بواسطة خيوط مادية منفصلة.

تتشارك الخيوط في نفس العملية نفس مساحة العناوين. وهذا يسمح للبرامج التي تعمل بالتزامن بالترابط بشكل وثيق وتبادل البيانات بسهولة دون الحاجة إلى تكلفة أو تعقيدات الاتصال بين العمليات . مع ذلك، عند مشاركة البيانات بين الخيوط، حتى أبسط هياكل البيانات تصبح عرضة لحالات التزامن غير المتوقعة إذا تطلب تحديثها أكثر من تعليمة واحدة من وحدة المعالجة المركزية: فقد يحاول خيطان تحديث هيكل البيانات في الوقت نفسه، ليجداه يتغير بشكل غير متوقع. يصعب للغاية إعادة إنتاج الأخطاء الناتجة عن حالات التزامن غير المتوقعة وعزلها.

لمنع ذلك، توفر واجهات برمجة التطبيقات (APIs) الخاصة بالخيوط أدوات تزامن أساسية مثل الأقفال المتبادلة (mutexes) لتأمين هياكل البيانات ضد الوصول المتزامن. في الأنظمة أحادية المعالج، يجب على الخيط الذي يعمل على قفل متبادل مؤمّن أن يدخل في حالة سكون، مما يؤدي إلى تبديل السياق. أما في الأنظمة متعددة المعالجات، فيمكن للخيط بدلاً من ذلك استطلاع القفل المتبادل في قفل دوراني (spinlock ). قد يؤدي كلا الأمرين إلى استنزاف الأداء وإجبار المعالجات في أنظمة المعالجة المتعددة المتناظرة (SMP) على التنافس على ناقل الذاكرة، خاصةً إذا كانت دقة التأمين عالية جدًا.

تتضمن واجهات برمجة التطبيقات الأخرى للمزامنة متغيرات الحالة ، والأقسام الحرجة ، والإشارات ، والشاشات .

يُعدّ نمط مجموعات الخيوط أحد أنماط البرمجة الشائعة التي تستخدم الخيوط ، حيث يتم إنشاء عدد محدد من الخيوط عند بدء التشغيل، ثم تنتظر هذه الخيوط مهمةً ما. عند وصول مهمة جديدة، تستيقظ الخيوط، وتُنجزها، ثم تعود إلى حالة الانتظار. هذا يُجنّبنا استخدام وظائف إنشاء الخيوط وتدميرها المكلفة نسبيًا لكل مهمة، ويُخرج إدارة الخيوط من يد مطوّر التطبيق، ويتركها لمكتبة أو نظام التشغيل الأنسب لتحسين إدارة الخيوط.

إذا كانت جميع الخيوط مشغولة، يتم وضع عناصر العمل الإضافية في قائمة انتظار حتى يصبح أحد الخيوط متاحًا لتنفيذها. ^{[ 17 ]}

تتمتع التطبيقات متعددة الخيوط بالمزايا التالية مقارنة بالتطبيقات أحادية الخيط:

• الاستجابة : يُمكّن تعدد الخيوط التطبيق من الاستجابة الفورية للمدخلات. في برنامج أحادي الخيط، إذا توقف خيط التنفيذ الرئيسي عند مهمة طويلة الأمد، فقد يبدو التطبيق متجمدًا. بنقل هذه المهام طويلة الأمد إلى خيط عامل يعمل بالتزامن مع خيط التنفيذ الرئيسي، يصبح من الممكن للتطبيق أن يظل مستجيبًا لمدخلات المستخدم أثناء تنفيذ المهام في الخلفية. من ناحية أخرى، في معظم الحالات، لا يُعد تعدد الخيوط الطريقة الوحيدة للحفاظ على استجابة البرنامج، إذ تتوفر أيضًا عمليات الإدخال/الإخراج غير المتزامنة و/أو إشارات يونكس للحصول على نتائج مماثلة. ^{[ 18 ]}
• التوازي : يمكن للتطبيقات التي تسعى لاستخدام أنظمة متعددة النوى أو متعددة وحدات المعالجة المركزية الاستفادة من تعدد الخيوط لتقسيم البيانات والمهام إلى مهام فرعية متوازية، والسماح للبنية الأساسية بإدارة كيفية تشغيل الخيوط، إما بشكل متزامن على نواة واحدة أو بشكل متوازٍ على عدة نوى. تستخدم بيئات الحوسبة باستخدام وحدات معالجة الرسومات، مثل CUDA و OpenCL و DirectX 12، نموذج تعدد الخيوط حيث تعمل عشرات إلى مئات الخيوط بالتوازي على معالجة البيانات على عدد كبير من النوى . وهذا بدوره يُحسّن من استخدام موارد النظام، ويمكن أن يوفر (شريطة ألا تُهدر تكاليف التزامن هذه الفوائد) تنفيذًا أسرع للبرنامج.

تتضمن التطبيقات متعددة الخيوط العيوب التالية:

• تعقيد التزامن والأخطاء المرتبطة به: عند استخدام الموارد المشتركة، كما هو شائع في البرامج متعددة الخيوط، يجب على المبرمج توخي الحذر لتجنب حالات التزامن غير المتوقعة وغيرها من السلوكيات غير البديهية. لكي تتم معالجة البيانات بشكل صحيح، غالبًا ما تحتاج الخيوط إلى التزامن في الوقت المناسب لمعالجة البيانات بالترتيب الصحيح. قد تتطلب الخيوط أيضًا عمليات حصرية متبادلة (يتم تنفيذها غالبًا باستخدام) لمنع قراءة البيانات المشتركة أو الكتابة فوقها في خيط أثناء تعديلها بواسطة خيط آخر. يمكن أن يؤدي الاستخدام غير المدروس لهذه الأدوات إلى حالات جمود أو تعطل أو تنافس على الموارد. كما قد يؤدي تعدد الخيوط إلى زيادة استخدام موارد النظام، بما في ذلك ذاكرة الوصول العشوائي (RAM ) . ^{[ 19 ]} كما كتب إدوارد أ. لي : "على الرغم من أن الخيوط تبدو خطوة صغيرة من الحوسبة التسلسلية، إلا أنها في الواقع تمثل خطوة هائلة. فهي تتخلى عن أهم خصائص الحوسبة التسلسلية وأكثرها جاذبية: سهولة الفهم، وإمكانية التنبؤ، والحتمية. الخيوط، كنموذج للحوسبة، غير حتمية بشكل كبير، وتصبح مهمة المبرمج هي تقليص هذه اللا حتمية." ^{[ 20 ]}
• عدم إمكانية اختبارها . بشكل عام، البرامج متعددة الخيوط غير حتمية، وبالتالي يصعب اختبارها. بعبارة أخرى، قد تحتوي البرامج متعددة الخيوط على أخطاء لا تظهر في نظام الاختبار، وإنما تظهر فقط في بيئة الإنتاج. ^{[ 21 ] [ 20 ]} يمكن التخفيف من هذه المشكلة بتقييد الاتصالات بين الخيوط بأنماط محددة جيدًا (مثل تمرير الرسائل).
• تكاليف التزامن . بما أن تبديل سياق الخيوط على وحدات المعالجة المركزية الحديثة قد يكلف ما يصل إلى مليون دورة معالجة، ^{[ 22 ]} فإن ذلك يجعل كتابة برامج متعددة الخيوط فعالة أمرًا صعبًا. وعلى وجه الخصوص، يجب إيلاء اهتمام خاص لتجنب تكرار التزامن بين الخيوط بشكل مفرط.