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Threads

1. Definições Gerais

Processos

  • Agrupam recursos relacionados.

  • Cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento, incluindo:

  • Código (texto)

  • Dados
  • Arquivos abertos
  • Variáveis globais
  • Processos filhos
  • Rotinas de tratamento
  • Gerenciamento mais simples e isolado.

Threads

  • Fluxos de execução independentes dentro de um mesmo processo.
  • Compartilham o espaço de endereçamento do processo.

  • Cada thread possui:

  • Contador de programa

  • Registradores
  • Pilha
  • Estado
  • Contexto de hardware próprio, mas compartilham o contexto de software.

Estrutura

  • Imagem A: três processos, cada um com seu próprio espaço de endereçamento e uma thread.
  • Imagem B: um processo com três threads que compartilham o mesmo espaço de endereçamento.

Vantagens das Threads

  • Mais rápidas (compartilham memória, comunicação eficiente).
  • Compartilham recursos como arquivos abertos, temporizadores, sinais.
  • Melhor aproveitamento de periféricos (CPU, disco, rede).

  • Usadas em:

  • Aplicações interativas (editores de texto, planilhas, processadores de imagens).

  • Cliente-servidor.
  • Núcleo do sistema operacional.
  • Mais fáceis de criar e destruir que processos.

Desvantagens das Threads

  • Compartilham variáveis globais → risco de sobrescrita.
  • Requerem sincronização para evitar inconsistências.

2. Multiprogramação e Threads

  • Multiprogramação pode gerar problemas quando threads compartilham recursos.

  • Exemplos de riscos:

  • Fechar arquivo ainda em uso por outra thread.

  • Depuração complexa.
  • Condições de corrida.

3. Implementação de Threads

3.1 Em Modo Usuário

  • Threads gerenciadas pela aplicação, não pelo SO.

  • Requer biblioteca de rotinas para:

  • Criação/eliminação de threads.

  • Comunicação entre threads.
  • Políticas de escalonamento.

  • Vantagens:

  • Funciona mesmo em SO sem suporte nativo.

  • Mais rápidas.

  • Desvantagens:

  • SO enxerga apenas um processo.

  • Se uma thread é bloqueada em chamada de sistema, todas ficam bloqueadas.
  • Tratamento de sinais é complexo.

3.2 Em Modo Kernel

  • Threads implementadas diretamente pelo kernel.
  • SO conhece e gerencia cada thread individualmente.
  • Permite escalonamento separado para cada thread.

3.3 Modelo Híbrido

  • Combina os dois modelos.
  • Cada Thread em Modo Kernel (TMK) pode gerenciar várias Threads em Modo Usuário (TMU).
  • Vantagens: flexibilidade.
  • Desvantagens: desempenho menor devido a mudanças frequentes de modo.

4. Modelo de Execução de Threads

  • Threads dinâmicas: criadas sob demanda, uma para cada requisição.
  • Threads estáticas: número fixo de threads definido previamente.

5. Padrões de Projeto com Threads

5.1 Dispatcher/Worker (Despachante/Trabalhador)

  • Uma thread despachante recebe tarefas e as distribui para threads trabalhadoras.
  • Exemplo: servidor web.
  • Vantagens: balanceamento eficiente, consumo rápido de requisições.
  • Desvantagem: risco de sobrecarga na thread despachante.

5.2 Thread Pool (Time de Threads)

  • Conjunto fixo de threads que retiram tarefas de um repositório/pool.

  • Vantagens:

  • Boa distribuição de carga.

  • Não há necessidade de criar/destruir threads constantemente.
  • Flexibilidade para ajustar o número de threads.
  • Desvantagem: implementação cuidadosa necessária.

5.3 Pipeline

  • Cada thread executa uma etapa de um processo sequencial.
  • A saída de uma é a entrada da próxima.

  • Desvantagens:

  • Gargalo se uma etapa for lenta.

  • Nem sempre é fácil dividir tarefas em pipeline.

6. Considerações Finais

  • Threads permitem concorrência dentro de processos, otimizando recursos.
  • Reduzem custo de criação/gerenciamento em comparação com processos.
  • Demandam sincronização robusta para evitar erros como condições de corrida.
  • Diferentes modelos de implementação (usuário, kernel, híbrido) trazem vantagens e limitações.