Un hilo de
ejecución, hebra o subproceso es la unidad de procesamiento
más pequeña que puede ser planificada por un sistema operativo.
La creación de un nuevo hilo es una
característica que permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez
(concurrentemente). Los distintos hilos de ejecución comparten una serie de
recursos tales como el espacio de memoria, los archivos abiertos, situación de
autenticación, etc. Esta técnica permite simplificar el diseño de una
aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente.
Un hilo es simplemente una tarea que puede
ser ejecutada al mismo tiempo con otra tarea.
Los hilos de ejecución que comparten los
mismos recursos, sumados a estos recursos, son en conjunto conocidos como
un proceso. El hecho de que los hilos de ejecución de
un mismo proceso compartan los recursos hace que cualquiera de estos hilos
pueda modificar éstos. Cuando un hilo modifica un dato en la memoria, los otros
hilos acceden a ese dato modificado inmediatamente.
Lo que es propio de cada hilo es el contador de
programa,
la pila de
ejecución y
el estado de la CPU (incluyendo el valor de los registros).
El proceso sigue en ejecución mientras al
menos uno de sus hilos de ejecución siga activo. Cuando el proceso finaliza,
todos sus hilos de ejecución también han terminado. Asimismo en el momento en
el que todos los hilos de ejecución finalizan, el proceso no existe más y todos
sus recursos son liberados.
Algunos lenguajes
de programación tienen características de diseño expresamente creadas para
permitir a los programadores lidiar con hilos de ejecución
(como Java o Delphi). Otros (la mayoría) desconocen la
existencia de hilos de ejecución y éstos deben ser creados mediante llamadas de
biblioteca especiales que dependen del sistema operativo en el que estos
lenguajes están siendo utilizados (como es el caso del C y del C++).
Un ejemplo de la utilización de hilos es
tener un hilo atento a la interfaz
gráfica (iconos,
botones, ventanas), mientras otro hilo hace una larga operación internamente.
De esta manera el programa responde de manera más ágil a la interacción con el
usuario. También pueden ser utilizados por una aplicación servidora para dar
servicio a múltiples clientes.
Los hilos se distinguen de los tradicionales
procesos en que los procesos son –generalmente– independientes, llevan bastante
información de estados, e interactúan sólo a través de mecanismos
de comunicación dados por el sistema. Por otra parte, muchos hilos generalmente
comparten otros recursos de forma directa. En muchos de los sistemas
operativos que dan facilidades a los hilos, es más rápido cambiar de un hilo
a otro dentro del mismo proceso, que cambiar de un proceso a otro. Este
fenómeno se debe a que los hilos comparten datos y espacios de direcciones,
mientras que los procesos, al ser independientes, no lo hacen. Al cambiar de un
proceso a otro el sistema operativo (mediante el dispatcher) genera lo que se
conoce como overhead, que es tiempo desperdiciado por el procesador para
realizar un cambio de contexto (context switch), en este caso pasar del estado
de ejecución (running) al estado de espera (waiting) y colocar el nuevo proceso
en ejecución. En los hilos, como pertenecen a un mismo proceso, al realizar un
cambio de hilo el tiempo perdido es casi despreciable.
Al igual que los procesos, los hilos poseen
un estado de ejecución y pueden sincronizarse entre ellos para evitar problemas
de compartimiento de recursos. Generalmente, cada hilo tiene una tarea específica
y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador.
Estados de un hilo
Los principales estados de los hilos son:
Ejecución, Listo y Bloqueado. No tiene sentido asociar estados de suspensión de
hilos ya que es un concepto de proceso. En todo caso, si un proceso está
expulsado de la memoria principal (RAM), todos sus hilos deberán estarlo ya que todos comparten el espacio de
direcciones del proceso.
Cambio de estados.
Creación: Cuando se crea un proceso se
crea un hilo para ese proceso. Luego, este hilo puede crear otros hilos dentro
del mismo proceso, proporcionando un puntero de instrucción y los argumentos
del nuevo hilo. El hilo tendrá su propio contexto y su propio espacio de la
columna, y pasará al final de los Listos.
Bloqueo: Cuando un hilo necesita esperar
por un suceso, se bloquea (salvando sus registros de usuario, contador de
programa y punteros de pila). Ahora el procesador podrá pasar a ejecutar otro
hilo que esté en la final de los Listos mientras el anterior permanece
bloqueado.
Desbloqueo: Cuando el suceso por el que
el hilo se bloqueó se produce, el mismo pasa a la final de los Listos.
Terminación: Cuando un hilo finaliza se liberan
tanto su contexto como sus columnas.
Ventajas de los hilos contra procesos.
Si bien los hilos son generados a partir de
la creación de un proceso, podemos decir que un proceso es un hilo de
ejecución, conocido como Monohilo. Pero las ventajas de los hilos se dan cuando
hablamos de Multihilos, que es ccu8nuando un proceso tiene múltiples hilos de
ejecución los cuales realizan actividades distintas, que pueden o no ser
cooperativas entre sí. Los beneficios de los hilos se derivan de las
implicaciones de rendimiento.
Se tarda mucho menos tiempo en crear un hilo
nuevo en un proceso existente que en crear un proceso. Algunas investigaciones
llevan al resultado que esto es así en un factor de 10.
Se tarda mucho menos en terminar un hilo que
un proceso, ya que cuando se elimina un proceso se debe eliminar el BCP1 del mismo, mientras que un hilo se
elimina su contexto y pila.
Se tarda mucho menos tiempo en cambiar entre
dos hilos de un mismo proceso
Los hilos aumentan la eficiencia de la
comunicación entre programas en ejecución. En la mayoría de los sistemas en la
comunicación entre procesos debe intervenir el núcleo para ofrecer protección
de los recursos y realizar la comunicación misma. En cambio, entre hilos pueden
comunicarse entre sí sin la invocación al núcleo. Por lo tanto, si hay una
aplicación que debe implementarse como un conjunto de unidades de ejecución
relacionadas, es más eficiente hacerlo con una colección de hilos que con una
colección de procesos separados.|
Sincronización de hilos
Todos los hilos comparten el mismo espacio de
direcciones y otros recursos como pueden ser archivos abiertos. Cualquier
modificación de un recurso desde un hilo afecta al entorno del resto de los
hilos del mismo proceso. Por lo tanto, es necesario sincronizar la actividad de
los distintos hilos para que no interfieran unos con otros o corrompan
estructuras de datos.
Una ventaja de la programación multihilo es
que los programas operan con mayor velocidad en sistemas de computadores con múltiples CPUS (sistemas multiprocesador o a través de grupo de
máquinas) ya
que los hilos del programa se prestan verdaderamente para la ejecución
concurrente. En tal caso el programador necesita ser cuidadoso para evitar
condiciones de carrera (problema que sucede cuando diferentes hilos o procesos
alteran datos que otros también están usando), y otros comportamientos no
intuitivos. Los hilos generalmente requieren reunirse para procesar los datos
en el orden correcto. Es posible que los hilos requieran de operaciones
atómicas para
impedir que los datos comunes sean cambiados o leídos mientras estén siendo
modificados, para lo que usualmente se utilizan los semáforos. El descuido de esto puede generar interbloqueo.
