Wat is multithreading?

Multithreading is een programmeertechniek waarmee meerdere threads gelijktijdig binnen één proces kunnen worden uitgevoerd, waardoor taken parallel kunnen worden uitgevoerd.

Wat is een draad?

Een thread is de kleinste uitvoeringseenheid binnen een proces. Het vertegenwoordigt een enkele reeks instructies die onafhankelijk door de computer kunnen worden beheerd besturingssystemen planner.

Threads binnen hetzelfde proces delen de bronnen van het proces, zoals geheugen en bestandshandles, maar elke thread heeft zijn eigen stapel, registers en programmateller. Hierdoor kunnen meerdere threads gelijktijdig worden uitgevoerd, hetzij parallel op een multi-core processor of door time-slicing op een single-coreprocessor.

Threads worden gebruikt om taken uit te voeren die onafhankelijk kunnen worden uitgevoerd, waardoor een efficiënter gebruik van systeembronnen mogelijk wordt en de reactiesnelheid en prestaties van toepassingen.

Multithreading is een programmeerconcept waarbij meerdere threads, of kleinere eenheden van een proces, gelijktijdig binnen één programma worden uitgevoerd. Elke thread werkt onafhankelijk, maar deelt dezelfde geheugenruimte, wat efficiënt bronnengebruik en communicatie tussen threads mogelijk maakt.

Het belangrijkste voordeel van multithreading is de mogelijkheid om meerdere bewerkingen tegelijkertijd uit te voeren, wat de prestaties en het reactievermogen van een applicatie aanzienlijk verbetert, vooral in systemen met meerdere CPU kernen. Gelijktijdigheid wordt bereikt door taken op te splitsen in kleinere, parallelliseerbare componenten die achter elkaar kunnen worden verwerkt, waardoor de algehele uitvoeringstijd wordt verkort.

Multithreading brengt echter ook complexiteit met zich mee, zoals de behoefte aan synchronisatiemechanismen om datacorruptie te voorkomen en ervoor te zorgen dat threads elkaars activiteiten niet verstoren. Het goed beheren van deze aspecten is cruciaal voor het behouden van de stabiliteit en betrouwbaarheid van een multithreaded applicatie.

Hoe werkt multithreading?

Multithreading werkt door het creëren en beheren van meerdere threads binnen één proces, waardoor verschillende taken tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd. Hier is een stapsgewijze uitleg van hoe het werkt:

Draad creatie. In een multithreaded applicatie begint het proces met het maken van threads. Elke thread is een lichtgewicht subproces met zijn eigen stapel, registers en programmateller, maar deelt dezelfde geheugenruimte als de andere threads in het proces.
Taakverdeling. Zodra de threads zijn gemaakt, wijst de toepassing specifieke taken toe aan elke thread. Deze taken variëren van het verwerken van gebruikersinvoer tot het uitvoeren van berekeningen of het beheren I / O operaties.
Onderwerpplanning. De planner van het besturingssysteem is verantwoordelijk voor het beheer van de uitvoering van threads. Afhankelijk van de architectuur van het systeem kunnen threads parallel lopen op meerdere CPU-kernen (echte gelijktijdigheid) of worden afgewisseld op een enkele kern (gesimuleerde gelijktijdigheid via time-slicing).
Uitvoering. Elke thread begint de toegewezen taak uit te voeren. Omdat threads dezelfde geheugenruimte delen, kunnen ze gemakkelijk met elkaar communiceren en gegevens delen. Dit vereist echter ook zorgvuldig beheer om conflicten te voorkomen, zoals racecondities, waarbij meerdere threads tegelijkertijd dezelfde gegevens proberen te wijzigen.
Synchronisatie. Om ervoor te zorgen dat threads elkaar niet hinderen, worden synchronisatiemechanismen zoals mutexen, semaforen of vergrendelingen gebruikt. Deze mechanismen controleren de toegang tot gedeelde bronnen en zorgen ervoor dat slechts één thread tegelijk toegang heeft tot een bron, waardoor gegevenscorruptie wordt voorkomen.
Contextwisseling. Wanneer een thread wordt gepauzeerd (omdat deze zijn taak heeft voltooid, op bronnen wacht of wordt voorrang gegeven door de planner), kan het besturingssysteem een contextwisseling uitvoeren. Dit omvat het opslaan van de huidige status van de thread (de stapel, registers, enz.) en het laden van de status van een andere thread om door te gaan met de uitvoering. Door contextwisseling kunnen meerdere threads in de loop van de tijd vooruitgang boeken, zelfs op een single-coreprocessor.
Beëindiging van draad. Zodra een thread zijn taak heeft voltooid, wordt deze beëindigd en worden de bronnen vrijgegeven. Het proces kan doorgaan met het uitvoeren van andere threads of eindigen als alle threads hun werk hebben voltooid.
Levenscycli van threads beheren. Tijdens de uitvoering ervan moeten threads mogelijk worden gesynchroniseerd, gepauzeerd of beëindigd op basis van de logica van de toepassing. Het goed beheren van de levenscyclus van threads is essentieel om problemen zoals impasses te voorkomen, waarbij twee of meer threads vastlopen terwijl ze op elkaar wachten om bronnen vrij te geven.

Multithreading-voorbeeld

Hier is een eenvoudig voorbeeld van multithreading Python:

Stel je voor dat je een programma hebt dat twee taken moet uitvoeren: het downloaden van een groot bestand van internet en het verwerken van een grote dataset. In plaats van deze taken sequentieel uit te voeren, kunt u multithreading gebruiken om ze gelijktijdig af te handelen, waardoor u tijd bespaart en de toepassing responsiever wordt.

import threading

import time

# Function to simulate downloading a file

def download_file():

    print("Starting file download...")

    time.sleep(5)  # Simulate a delay for downloading

    print("File download completed!")

# Function to simulate processing a dataset

def process_data():

    print("Starting data processing...")

    time.sleep(3)  # Simulate a delay for processing

    print("Data processing completed!")

# Create threads for each task

thread1 = threading.Thread(target=download_file)

thread2 = threading.Thread(target=process_data)

# Start the threads

thread1.start()

thread2.start()

# Wait for both threads to complete

thread1.join()

thread2.join()

print("Both tasks completed!")

Hier is de code-uitleg:

Taakdefinitie. Er zijn twee functies, download_file() en process_data(), gedefinieerd om het downloaden van een bestand en het verwerken van gegevens te simuleren. De functie time.sleep() wordt gebruikt om de tijd te simuleren die deze taken kunnen duren.
Draad creatie. Er worden twee threads gemaakt, thread1 en thread2, waarbij elke thread is toegewezen om een van de taken uit te voeren.
Uitvoering van schroefdraad. De threads worden gestart met behulp van de start() -methode. Hiermee begint de uitvoering van beide taken gelijktijdig.
Synchronisatie van threads. De methode join() wordt voor elke thread aangeroepen, zodat het hoofdprogramma wacht tot beide threads zijn voltooid voordat 'Beide taken voltooid!' worden afgedrukt.

Wanneer u deze code uitvoert, worden de taken gelijktijdig uitgevoerd. De verwerking van de dataset begint terwijl het bestand nog wordt gedownload. Dit voorbeeld laat zien hoe multithreading de efficiëntie verbetert door de uitvoering van onafhankelijke taken te overlappen.

Programmeertalen die multithreading ondersteunen

Hier zijn enkele van de belangrijkste programmeertalen die multithreading ondersteunen, samen met uitleg over hoe ze dit implementeren en beheren:

Java. Java is één van de meest populaire programmeertalen dat multithreading volledig ondersteunt. Het biedt ingebouwde ondersteuning voor threads via de klasse java.lang.Thread en het pakket java.util.concurrent, dat abstracties op hoog niveau bevat, zoals executors, threadpools en synchronisatiehulpprogramma's. Het multithreadingmodel van Java is robuust, waardoor ontwikkelaars eenvoudig threads kunnen maken, beheren en synchroniseren.
C + +. C + + ondersteunt multithreading met zijn threadingbibliotheek geïntroduceerd in C++11. De klasse std::thread wordt gebruikt om threads te maken en te beheren, en de taal biedt synchronisatiemechanismen zoals mutexen en voorwaardevariabelen om gedeelde bronnen te verwerken. C++ wordt veel gebruikt bij het programmeren van systemen, het ontwikkelen van games en het ontwikkelen van games high-performance computing, waarbij multithreading essentieel is.
Python. Python biedt ondersteuning voor multithreading via de threadingmodule, waardoor ontwikkelaars meerdere threads binnen één proces kunnen uitvoeren. Python's Global Interpreter Lock (GIL) beperkt echter de uitvoering van meerdere threads in een enkel proces, wat een knelpunt kan zijn bij CPU-gebonden taken. Desondanks is multithreading nog steeds nuttig in Python voor I/O-gebonden taken, zoals het afhandelen van netwerkverbindingen of I/O-bewerkingen van bestanden.
C#. C# is een door Microsoft ontwikkelde taal die multithreading volledig ondersteunt. Het biedt de System.Threading-naamruimte, die klassen als Thread, Task en ThreadPool omvat, waardoor ontwikkelaars threads kunnen maken, beheren en synchroniseren. C# biedt ook asynchrone programmeermodellen met de async en wait-trefwoorden, waardoor het gemakkelijker wordt om niet-blokkerende, multithreaded code te schrijven.
Go. Go, ook bekend als Golang, is ontworpen met gelijktijdigheid in gedachten. Het maakt gebruik van goroutines, lichtgewicht threads die worden beheerd door de Go-runtime. Goroutines zijn eenvoudiger en efficiënter dan traditionele threads, waardoor ontwikkelaars duizenden threads kunnen maken met minimale overhead. Go biedt ook kanalen voor veilige communicatie tussen goroutines, waardoor het gemakkelijker wordt om gelijktijdige programma's te schrijven.
Roest. Rust is een programmeertaal voor systemen die de nadruk legt op veiligheid en gelijktijdigheid. Het biedt ingebouwde ondersteuning voor multithreading met zijn eigendomsmodel, dat de geheugenveiligheid garandeert en dataraces voorkomt. Dankzij het gelijktijdigheidsmodel van Rust kunnen ontwikkelaars threads maken met behulp van de std::thread-module, terwijl ze ervoor zorgen dat gegevens die tussen threads worden gedeeld, veilig worden gesynchroniseerd.
Swift. Swift, de programmeertaal van Apple voor iOS- en macOS-ontwikkeling, ondersteunt multithreading via de Grand Central Dispatch (GCD) en DispatchQueue API's. GCD is een API op laag niveau voor het beheren van gelijktijdige taken, terwijl DispatchQueue een abstractie op een hoger niveau biedt voor het werken met threads. De multithreading-mogelijkheden van Swift zijn essentieel voor het bouwen van responsieve en efficiënte applicaties op Apple-platforms.
JavaScript (Node.js). JavaScript, vooral in de context van Node.js, ondersteunt multithreading via werkthreads. Hoewel JavaScript traditioneel single-threaded is met een gebeurtenisgestuurd, niet-blokkerend I/O-model, stellen werkthreads ontwikkelaars in staat taken parallel uit te voeren. Deze functie is handig voor CPU-intensieve taken in Node.js-applicaties.

Voor- en nadelen van multithreading

Multithreading biedt aanzienlijke voordelen, zoals verbeterde prestaties en een beter gebruik van hulpbronnen, maar brengt ook complexiteit met zich mee, waaronder potentiële problemen met gegevenssynchronisatie en grotere problemen bij het opsporen van fouten. Het begrijpen van zowel de voor- als nadelen van multithreading is essentieel voor het nemen van weloverwogen beslissingen bij het ontwerpen en optimaliseren van softwareapplicaties.

Voordelen

Door meerdere threads tegelijkertijd te laten draaien, zorgt multithreading ervoor dat programma's complexe taken effectiever kunnen uitvoeren, vooral in omgevingen die parallelle verwerking of reactievermogen vereisen. Hieronder staan enkele van de belangrijkste voordelen van multithreading:

Verbeterde prestaties en reactievermogen. Multithreading maakt het mogelijk taken gelijktijdig uit te voeren, wat leidt tot betere prestaties, vooral op multi-coreprocessors. Dit is met name gunstig voor toepassingen die meerdere bewerkingen tegelijkertijd moeten uitvoeren, zoals updates van de gebruikersinterface en achtergrondverwerking.
Efficiënt gebruik van hulpbronnen. Door taken te verdelen in kleinere threads die gelijktijdig worden uitgevoerd, maakt multithreading beter gebruik van CPU-bronnen. Hierdoor kan de CPU andere taken uitvoeren terwijl hij wacht tot langzamere bewerkingen, zoals schijf-I/O of netwerkcommunicatie, zijn voltooid.
Verbeterde doorvoer van applicaties. Multithreading kan de doorvoer van een applicatie vergroten doordat meerdere taken parallel kunnen worden verwerkt. Bijvoorbeeld in een web serverkunnen meerdere klantverzoeken tegelijkertijd worden afgehandeld, wat leidt tot een snellere verwerking en kortere wachttijden voor gebruikers.
Vereenvoudigde modellering van real-time systemen. In real-time systemen waar taken gelijktijdig of als reactie op gebeurtenissen in de echte wereld moeten worden uitgevoerd, vereenvoudigt multithreading het programmeermodel. Elke thread verwerkt een specifieke taak of gebeurtenis, waardoor het systeem gemakkelijker te ontwerpen, te begrijpen en te onderhouden is.
Schaalbaarheid. Dankzij multithreading kunnen applicaties effectief worden geschaald bij toenemende werklasten. Naarmate er meer CPU-cores beschikbaar komen, worden er extra threads gemaakt om de toegenomen belasting aan te kunnen, waardoor het vermogen van de applicatie om te schalen wordt verbeterd zonder noemenswaardige wijzigingen in de architectuur.
Parallellisme. Bij taken die kunnen worden onderverdeeld in onafhankelijke subtaken, maakt multithreading het mogelijk dat deze subtaken parallel worden uitgevoerd, waardoor de totale tijd die nodig is om de taak te voltooien wordt verkort. Dit is vooral belangrijk bij krachtige computer- en gegevensverwerkingstoepassingen.

Nadelen

Hoewel multithreading de prestaties en het reactievermogen van applicaties aanzienlijk kan verbeteren, brengt het ook een aantal uitdagingen en mogelijke nadelen met zich mee:

Complexiteit van ontwikkeling. Multithreading verhoogt de complexiteit van code, waardoor het moeilijker wordt om te ontwerpen, implementeren en onderhouden. Ontwikkelaars moeten het maken van threads, de synchronisatie en de communicatie zorgvuldig beheren, wat kan leiden tot ingewikkelder en foutgevoeliger code.
Moeilijkheden bij het debuggen. Het debuggen van multithreaded applicaties is notoir moeilijk. Er kunnen problemen optreden zoals raceomstandigheden, impasses en subtiele timingbugs, die lastig te reproduceren en op te lossen zijn. Deze problemen kunnen leiden tot onvoorspelbaar gedrag en zijn vaak moeilijk te detecteren tijdens het testen.
Synchronisatie-overhead. Om ervoor te zorgen dat meerdere threads veilig toegang krijgen tot gedeelde bronnen, moeten ontwikkelaars synchronisatiemechanismen zoals vergrendelingen of semaforen gebruiken. Overmatig gebruik van deze mechanismen leidt echter tot overhead, waardoor de prestatievoordelen van multithreading mogelijk worden verminderd.
Potentieel voor impasses. Er ontstaat een impasse wanneer twee of meer threads voor onbepaalde tijd wachten op bronnen die in elkaars bezit zijn, wat leidt tot stilstand van de applicatie. Deadlocks zijn moeilijk te voorspellen en op te lossen, waardoor ze een aanzienlijk risico vormen bij multithreaded programmeren.
Bronconflict. Wanneer meerdere threads strijden om dezelfde bronnen (bijvoorbeeld CPU, geheugen of I/O-apparaten), kan dit tot conflicten leiden, waarbij threads gedwongen worden te wachten, waardoor de verwachte prestatiewinst van parallelle uitvoering afneemt.
Onvoorspelbare prestaties. Multithreading garandeert niet altijd betere prestaties. De daadwerkelijke verbetering hangt af van factoren als het aantal beschikbare CPU-kernen, de aard van de taken en de efficiëntie van het threadbeheer. In sommige gevallen kan multithreading zelfs de prestaties verslechteren als gevolg van overhead en conflicten.
Platformafhankelijkheid. Het gedrag van multithreaded applicaties kan variëren tussen verschillende besturingssystemen en hardwareplatforms. Deze variabiliteit kan het een uitdaging maken om draagbare multithreaded code te schrijven die consistent presteert in verschillende omgevingen.

Multithreading versus multitasking

Multithreading en multitasking zijn beide technieken die worden gebruikt om de efficiëntie en het reactievermogen van systemen te verbeteren, maar ze werken op verschillende niveaus.

Multithreading omvat de gelijktijdige uitvoering van meerdere threads binnen een enkel proces, waardoor taken binnen dat proces parallel kunnen worden uitgevoerd. Multitasking verwijst daarentegen naar het vermogen van een besturingssysteem om meerdere onafhankelijke processen tegelijkertijd te beheren en uit te voeren, die elk mogelijk hun eigen threads bevatten.

Terwijl multithreading zich richt op het verdelen van werk binnen één applicatie, houdt multitasking zich bezig met de algehele verdeling van systeembronnen over meerdere applicaties, zodat elk proces aan de beurt komt. Beide technieken zijn cruciaal voor het maximaliseren van het CPU-gebruik en het verbeteren van de systeemprestaties, maar ze verschillen qua reikwijdte en implementatie.