خيط (حاسوب)

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(بالتحويل من خيط حاسوبي)
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث

في المعلوماتية والحوسبة، الخيط (بالإنجليزية: Thread) أو سلسلة أو شريط التعليمات (بالإنجليزية: thread of execution) أو الخيوط الحاسوبية (بالإنجليزية: Threads) [1] هو عبارة عن مجموعة من التعليمات التي تشكل مساراً لتنفيذ العملية وبما أنه مجرد مسار فإنه لا يحتاج لموارد خاصة به حيث أنه يستخدم موارد العملية ذاتها. تجعل الخيوط البرنامج الحاسوبي يبدو وكأنه يقوم بأكثر من مهمة بشكل متزامن، لكن إذا كانت وحدة المعالجة المركزية بأكثر من نواة فانه يقوم بعمل تزامن حقيقي، فعلى سبيل المثال يمكن للبرنامج الإبقاء على واجهة المستخدم المرئية تتفاعل مع المستخدم على الرغم من قيامه بمهمة أخرى كالاتصال بمخدم. تتميز الخيوط عن العمليات بشكل عام في طريقة إنشاء سلسلة التعليمات وطريقة مشاركتها للمصادر وأسلوب تنفيذ المعالج لها بشكل مختلف عن العمليات لكن هذه الفوارق في النهاية تختلف حسب نظام التشغيل.

يمكن تنفيذ خيوط تعليمات متعددة بشكل متوازٍ على نفس المعالج وهذا ما يدعى بالتنفيذ المتعدد للخيوط (بالإنجليزية: multithreading) ويحدث عن طريق تعدد المهام computer multitasking أو ما يدعى بتجزئة الوقت time slicing وحيث يقوم معالج مركزي بالتبديل بين سلاسل التعليمات المختلفة. (ضمن هذا المفهوم التنفيذ ليس متزامنا بالنسبة لمعالج واحد لكننا نعتبره تزامنا مزيفا لأن التبديل يتم بسرعة كبيرة تعطينا انطباع بوهم التزامن)، بالمقابل يمكننا انجاز تزامن حقيقي عن طريق الاستعانة بحاسوب متعدد المعالجات أو معالجات متعددة الأنوية .

في الوقت الراهن، العديد من أنظمة التشغيل تدعم تجزئة الزمن وتعدد المهام، أو التنفيذ متعدد المعالجات multiprocessor threading عن طريق منسق عمليات scheduler. تمكن نوى أنظمة التشغيل المبرمجين من التعامل مع عدة سلاسل تعليمات عن طريق واجهة استدعاءات النظام system call. بعض التطبيقات لهذا الموضوع يدعى سلسلة تعليمات النواة kernel thread حيث تكون العمليات الخفيفة lightweight process أنماطا خاصة من سلاسل تعليمات النواة والتي تتشارك بنفس الحالة ونفس المعلومات. ويبقى المبرمجون قادرين على تطبيق سَلسَلة التعليمات threading عن طريق المؤقتات، الإشارات، أو وسائل أخرى لتفسير تسلسل تنفيذ التعليمات وبالتالي الحصول على تجزئة زمنية جيدة. وهذا ما يدعى أحيانا : سلاسل تعليمات مجال المستخدم user-space threads.في أغلب أنظمة التشغيل لايتم تنفيذ سلاسل تعليمات المستخدم الا عبر سلسلة تعليمات النواة.

علاقة سلاسل مجال المستخدم وسلاسل تعليمات النواة:هناك اربع أنواع من العلاقات تربط النوعين من السلاسل وهي كالتالي.

  1. واحد إلى متعدد: في هذا النوع من العلاقات يرتبط كل تشعب نواة باكثر من تشعب مستخدم. تتميز باستغلال تشعبات النواة لكنها في نفس الوقت تتسبب في الضغط على تشعبات النواة، يستخدم هذا النوع في أنظمة جرين سولاريس، وجنو.
  2. واحد لواحد: في هذا النوع من العلاقات يرتبط كل تشعب من تشعبات المستخدم بتشعب واحد فقط من تشعبات النواة، يتضح لنا انه لو ان هناك تشعب واحد من تشعبات النواة تعطل فان تشعب المستخدم الذي كان متصلا به لن ينففذ ابداً.
  3. متعدد لمتعدد: هذا النوع من العلاقات تقوم كل مجموعة من تشعبات النواة بإدارة مجموعة من تشعبات المستخدم.
  4. نمط المستويين: يستخدم هذا النوع من العلاقات هجين من النوعين السابقين بحيث يسمح بعلاقات واحد لواحد ومتعدد لمتعدد، هذا النوع هو الأكثر استخداما حالياً

هناك ثلاث مكتبات أساسية للتشعبات أو السلاسل : (1) PThreads: وهي اختصار لل POSIX Threads وتستخدم في يونكس وماكنتوش وغيرهما كما تسمح باستخدام سلاسل على مستوى النواة أو على مستوى المستخدم. (2) Win32 Threads : وهي المستخدمة في أنظمة تشغيل ويندوز "النوافذ" ولا تسمح للمستخدم في التعامل مع تشعبات " سلاسل " النواة وانما تتوفر له هذه السلاسل في مجال المستخدم فقط. (3) Java Threads : وهي خاصة ببرامج لغة الجافا وتقوم بإنشاء سلاسل خاصة بكل برنامج على حدة.

في بعض الأحيان يستخدمون مصطلح سلسلة تعليمات من اجل شفرة مجزأة threaded code وهو نمط من الشفرات البرمجية يتألف بالكامل من استدعاءات لأقسام برمجية subroutine.

في الغالب نحن معتادون على تعدد المهام في نظام التشغيل والسماحية لعمل أكثر من برنامج في وقت واحد.

البرامج متعددة الخيوط (بالإنجليزية: Multithreaded programs) تأخذ فكرة تعدد المهام عن طريق اخذها في مستوى أقل، فكل برنامج فردي يظهر عدة مهام في نفس الوقت و كل مهمه تسمى خيط (حاسوب). تستطيع البرامج تشغيل أكثر من خيط (حاسوب) في نفس الوقت وهي اختصار لـ خيط التحكم

والبرامج التي تستطيع تشغيل أكثر من خيط حاسوبي في كل مره تسمى متعددة الخيوط الحاسوبية.

الخيوط المتعددة والعمليات المتعددة[عدل]

الفرق بين الخيوط المتعددة (بالإنجليزية: multiple threaded) والعمليات المتعددة (بالإنجليزية: multiple processes).

عندما تكون كل عمليه لديها وضعيه متكامله من المتغيرات متغير (علم الحاسوب)

threads تشاركها نفس المعلومات، وهذا قد يشكل خطرًا. مع ذلك مشاركة المتغيرات تجعل الاتصال بين الخيوط threads أسهل وأفضل للبرمجه من الاتصال بين العمليات.

في بعض انظمة التشغيل threads تكون من "lightweight " أكثر من العمليات processes

Multithreading كالمستعرض يقوم بلحظات تحميل أكثر من صوره في نفس الوقت وخادم الشبكه لابد من ان يكون قادر على مزامنة طلب المستخدم.

واذا اطلعنا على GUI كل منها يحمل thread منفصل يجمع الحدث ليراه المستخدم من بيئة تشغيل المضيف

الخيط[عدل]

اذا نظرنا في برنامج لا يستخدم الخيوط الحاسوبيه المتعدده multiple threads

يصعب على المستخدم ان يؤدي عدة مهام في هذا البرنامج اما اذا كان هناك برنامج

يستخدم separate threads سنجد سهولة في عمل البرنامج.

دالة thread.sleep لا تنشأ داله جديدة بل هي دالة ثابته في مصفوفة خيط (حاسوب)

بشكل مؤقت توقّف عمل النشاط الذي يستخدم الـ خيط (حاسوب) الحالي

حالات الخيوط Thread states[عدل]

ممكن ان يكون في واحده من هذه الحالات

  1. New
  2. Runnable
  3. Block
  4. Waiting
  5. Time waiting
  6. Terminated

لتحديد حالة الـ thread الحالي، دالة getState()

تقوم بتحديد حالة الخيط الحالي

الدوال المستخدمه في حالات الخيوط الحاسوبيه.png

الخيوط الجديدة New Threads[عدل]

عندما تنشآ thread بأداة التشغيل new مثال: new Thread(r) - the thread is not running yet هنا الخيط لم يتم تشغيله بعد، وهذا يعني ان البرنامج لم ينفذ الشفره (codes). هناك كميه معينه من الحسابات التي تحتاج ان تنتهي قبل تشغيل الـ خيط (thread)

الخيوط القابلة للتنفيذ Runnable Threads[عدل]

عندما تنفذ دالة start، الخيط الحاسوبي (thread) يكون في حالة runnable state

تعتمد runnable state على نظام التشغيل في العمل. عندما يعمل الخيط thread ليس من الضروري ان يبقى قيد التشغيل، ولكن يستحق التشغيل اذا كان هناك الكثير من الـ running threads وتوقفت لسبب فهنا تأتي الفرصه للخيوط الاخرى بالعمل. تفاصيل الخيوط threads تعتمد على الخدمه التي يوفرها نظام التشغيل. نظام المنظم scheduler system يعطي runnable thread جزء من الوقت ليؤدي مهامه. عندما نختار الـ thread التالي نظام التشغيل يأخذ في الحسبان اولوية الـthread

الخيوط المحظورة والمنتظرة Blocked and Waiting Threads[عدل]

عندما يكون الخيط محظور (blocked) او في الانتظار (waiting). هو مؤقتًا غير فعال لاينفّذ اي شفره ويستهلك مصادر أقل ويعتمد ايضا على thread scheduler لاعادة التشغيل وهذه التفاصيل تعتمد على كيفة الوصول إلى الحاله الغير مفعله. عندما يحاول thread ان يكتسب كائن محظور ( lock) لايتضمن حظره على java.util.concurrent library . الـ thread يصبح غير محظور ( unblocked) عندما تكون كل الخيوط threads تنازلت عن الحظر و thread scheduler يسمح لهذه الخيوط ان تمسك بهذا الكائن. عندما ينتظر الخيط خيط اخر لينبه منظم الخيوط ( thread scheduler) لحاله معينه، يدخل في حالة الانتظار وهذا يحدث عن طريق نداء دالة Object.wait or Thread.wait او عن طريق انتظار lock او condition في java.util.concurrent library الكثير من الدوال تحتوي على parameters غير ثابته خارج الوقت timeout.

مناداتها يسبب للخيط (thread)ان يدخل في حاله timed waiting

وهذه الحاله تستمر حتى نفاذ الوقت او ان تتلقى المنبه الصحيح دوال timeout تتضمن Threas.sleep و timed version of

Object.wait, Thread.join, lock.tryLock and Condition.await

يمكن ان يتنقل الـ الخيط من حاله لاخرى عندما يكون الخيط محظور او في الانتظار وايضا عندما يخرج من البرنامج يأتي خيط آخر ينظم التشغيل.

الخيوط المنتهية Terminated Threads[عدل]

يقطع الــthread لسبب من هذه الاسباب:

  • يموت بشكل طبيعي لان دالة التشغيل تخرج بشكل عادي
  • يموت فجأه اذا uncaught Exception قطع دالة التشغيل

يمكن قتل الـ Thread بتنفيذ دالة stop وهذه الداله throws ThreadDeath error تلقي كائن يقتل الـ thread

خواص الخيوط Thread Properties[عدل]

في لغة البرمجه كل خيط له اولويه وكل خيط يورّث اولويه للخيط الذي ينشأه. ويمكن زياده او انقاص اولوية اي خيط عن طريق دالة setPriority تستطيع ضبط الاولويه لأي قيمه بين

MIN_PRIORITY (معرفه كـ 1 في Thread class )

فالدوال واستخداماتها.png

و MAX_PRIORITY معرفه كـ 10 NORM_PRIORITY معرف كـ 5.

كلما اتيحت الفرصه لمنظم الخيوط ان يختار خيط جديد يفضل ذا اولويه عاليه.

اولويات الخيوط هي highly system dependent, عندما تعتمد الآله الفعليه على تطبيق الخيط لبرنامج المضيف الذي

يحتوي على خيط او أكثر من مستويات الاولويه

مثال: Windows يحمل 7 مستويات للاولويه. بعض اولويات الجافا تشير إلى نفس مستوى نظام التشغيل في The Sun JVM for Linux كل الخيوط تحتوي على نفس المستوى

الخيوط الخفية Daemon Threads[عدل]

تستطيع تحويل الخيط او thread إلى daemon thread بمناداة دالة

t.setDaemon(true);

وظيفته الوحيده هي خدمة الغير، مثال: timer thread وظيفته يرسل الدقّات المعتاده للساعه للخيوط الاخرى او الخيط الذي ينظف catche من البقايا القديمه. الآله الفعليه virtual machine تخرج اذا كانت كل الخيوط Daemon Threads

لانه لامعنى لعمل البرنامج اذا كانت كل الخيوط Daemon

مراجع[عدل]

  1. ^ Horstmann, Cay S., 1959- Core Java Volume 1 Fundamentals 8th edition