Переключение между процессами и нитями
В многозадачной операционной системе процессор периодически переключается между различными задачами. В момент переключения выполнение текущей задачи приостанавливается, ее состояние сохраняется ядром операционной системы, и система переключается на выполнение другой задачи. Такие переключения происходят регулярно по прерываниям от таймера. Таймер -- это внешнее устройство, входящее в конструкцию любого компьютера. Таймер может быть реализован внутри микросхемы процессора или отдельно от нее. Продолжительность кванта времени, в котором не происходит переключение задач, обычно измеряется сотыми или тысячными долями секунды и зависит от операционной системы.
В современных операционных системах различают понятия процесса и нити (thread). В рамках одного процесса могут существовать несколько нитей. Все нити одного процесса разделяют одно и то же виртуальное адресное пространство, соответствующее статическим и глобальным переменным программы. Однако стек, стековая (локальная) память и наборы значений регистров у каждой нити свои.
Каждая нить выполняется по отдельности, поэтому нити иногда называют легковесными процессами (light-weight process). Переключение между нитями происходит аналогично переключению между процессами. Нити очень удобны в программировании, поскольку разные нити параллельно выполняют совместную работу над одними и теми же глобальными переменными, расположенными в статической памяти процесса. Это позволяет избежать сложных механизмов передачи данных между различными процессами, которые приходилось использовать в старых операционных системах до изобретения нитей. На использовании нитей основано, например, программирование графических задач в операционных системах типа Windows. Здесь одна нить отвечает за обработку действий пользователя и поддержку оконного интерфейса (нажатий на мышь, клавиатуру, перерисовку окон и т.п.). Другие нити могут выполнять вычислительную работу и сетевой обмен, поддерживать анимацию и т.п. Выполнять вычислительную работу внутри нити, отвечающей за графический интерфейс, нельзя, потому что длительные вычисления приводят к визуальному подвисанию программы и к замедленным реакциям на действия пользователя.
Для синхронизации нитей и процессов, а также исключения одновременного обращения к критическим данным операционная система предоставляет программисту специальные объекты синхронизации -- семафоры, критические секции, события, мьютексы и др. Идея заключается в том, что для каждого критического набора данных выделяется специальный объект, который может в любой момент времени принадлежать только одной нити. Так, на железных дорогах в старой Англии, когда существовал только один путь, используемый в обоих направлениях, поезд не мог выехать на этот путь, пока машинист не получал в свои руки специальное маркерное кольцо, соответствующее данному перегону. Это исключало встречное движение и столкновение поездов.
Для защиты критических данных используется объект синхронизации типа мьютекс, от англ. MUTual EXclusive -- взаимно исключающий. Нить перед обращением к критическим данным пытается захватить мьютекс, соответствующий этим данным. Если он уже захвачен, то операционная система приостанавливает нить до тех пор, пока объект не будет освобожден. После этого мьютекс передается нити, нить пробуждается и выполняет необходимые действия. По завершении критических действий нить сама должна освободить мьютекс, подобно тому как машинист поезда должен сам оставить маркерное кольцо на станции после проезда участка пути, ``защищенного'' этим кольцом.
