Threading en informatique

Définir le threading en informatique

Comment fonctionne le threading : Une illustration intéressante

Exemple de codage : // Code C++ pour la création et la jonction de threads #include #include void threadFunction() { std::cout << "Welcome to concurrent world\n" ; } int main() { std::thread t(threadFunction) ;

  .join() ; return 0 ; } Dans l'

Exemples concrets de threading en informatique

Le threading joue un rôle clé dans le fonctionnement de multiples secteurs et domaines de notre monde numérique. Qu'il s'agisse d'améliorer la réactivité de l'interface utilisateur ou de jouer un rôle central dans l'informatique haute performance, l'applicabilité du threading est vaste et indispensable.

Examen d'un exemple de threading en informatique

Pour bien saisir la puissance du threading, plongeons-nous dans les subtilités d'un exemple concret lié aux services bancaires en ligne. Les systèmes bancaires en ligne gèrent des millions d'utilisateurs simultanés qui effectuent de nombreuses opérations telles que des transferts de fonds, des vérifications de solde, des paiements de factures, etc. Comment ces opérations sont-elles gérées en douceur ? La réponse se trouve dans le threading.

Regardons de plus près comment cela se déroule :

• Un système de banque en ligne doit être constamment vivant et réactif. Tout retard peut être catastrophique pour son fonctionnement. Imagine un scénario dans lequel un utilisateur commence une transaction, mais du côté du serveur, le logiciel attend que la transaction d'un autre utilisateur soit terminée avant de s'occuper de la nouvelle. Cela pourrait entraîner des retards importants, ce qu'un système bancaire ne peut pas supporter. Ici, le threading permet de traiter simultanément les transactions de plusieurs utilisateurs, ce qui rend les opérations bancaires rapides et efficaces.
• Dans de tels scénarios, chaque transaction initiée par un utilisateur est traitée comme un fil distinct. Cela garantit un traitement en temps réel, réduisant les retards et améliorant l'expérience de l'utilisateur.

Par essence, le threading est le moteur silencieux qui alimente les opérations transparentes que l'on observe dans un système bancaire en ligne.

Comment le threading est appliqué dans les opérations informatiques quotidiennes

Le rôle du threading ne se limite pas aux applications à grande échelle comme les systèmes bancaires. Il fait également partie intégrante des opérations informatiques quotidiennes. De la fonctionnalité transparente des systèmes d'exploitation aux performances fluides des navigateurs Web et des traitements de texte, le threading est omniprésent.

Prenons un autre exemple de la vie de tous les jours : les navigateurs Internet. Lorsque tu ouvres plusieurs onglets dans un navigateur, chaque onglet est généralement géré par un thread séparé. Cela signifie que tu peux charger plusieurs pages Web simultanément, profiter d'une vidéo Youtube ininterrompue sur un onglet pendant qu'une application Web lourde se charge sur un autre.

Ces exemples permettent de souligner que le threading, bien qu'il ne soit pas directement visible pour l'utilisateur final, reste une partie inhérente de l'informatique moderne, qu'il rend plus efficace et plus dynamique.

Les différents types de threading en informatique

Le threading en informatique ouvre un monde d'exécution parallèle et de traitement simultané, mais tous les threads ne sont pas identiques. Il existe différents types de threads, chacun se prêtant à des cas d'utilisation distincts. D'une manière générale, les trois principaux types de threads sont : User Threads, Kernel Threads et Hybrid Threading. Il est essentiel de comprendre ces trois types de threads pour acquérir une connaissance approfondie de l'informatique.

Exploration des 3 types de threads en informatique

Approfondissons ces trois types de threads afin de mieux comprendre le threading en informatique.

Fils d'utilisateur

Les threads utilisateur, comme leur nom l'indique, sont des threads gérés entièrement par les bibliothèques de l'espace utilisateur. Ils n'ont aucune interaction directe avec le noyau et sont gérés en dehors du système d'exploitation. Ils sont plus rapides à créer et à gérer car ils n'ont pas besoin d'interagir avec le noyau du système. Parmi les bibliothèques de threads de niveau utilisateur les plus courantes, on peut citer POSIX Pthreads et Microsoft Windows Fibers.

Fils du noyau

Les threads du noyau, en revanche, sont gérés directement par le système d'exploitation, ce qui offre des avantages tels que la prise en charge des systèmes multiprocesseurs et la programmation à l'échelle du système. Cependant, ces avantages s'accompagnent d'un ralentissement des performances en raison des frais généraux liés à la commutation de contexte entre le mode noyau et le mode utilisateur.

Threading hybride

Reconnaissant les différents compromis entre les threads de l'utilisateur et du noyau, certains systèmes emploient un modèle hybride, où plusieurs threads de l'utilisateur sont mappés sur un nombre inférieur ou égal de threads du noyau. Cela permet aux programmeurs de créer autant de threads utilisateur que nécessaire sans avoir à créer le même nombre de threads noyau, tout en bénéficiant des avantages de l'ordonnancement au niveau du noyau.

Comparaison et contraste de différents threads

Bien que les trois types de threads présentent certaines similitudes, leurs caractéristiques, avantages et inconvénients diffèrent grandement. La compréhension de ces distinctions est essentielle pour une application efficace et efficiente des threads dans le domaine de l'informatique.

La meilleure façon de comparer les différents types de threads est de les présenter sous forme de tableau :

Les threads utilisateur sont les plus rapides, mais leur programmation n'est pas contrôlée par le noyau, ce qui rend difficile pour le système de prendre des décisions globales sur la programmation des processus. À l'inverse, les threads du noyau ont un ordonnancement au niveau du noyau, ils peuvent donc être gérés plus efficacement par le système d'exploitation, mais ils prennent également plus de temps à créer et à détruire en raison de la surcharge du noyau.

Enfin, les modèles de threads hybrides cherchent à trouver un équilibre en faisant correspondre de nombreux threads de niveau utilisateur à un nombre égal ou inférieur de threads de niveau noyau. Cela offre plus de flexibilité qu'un threading purement utilisateur ou noyau, ce qui se traduit par une gestion efficace et des frais généraux réduits.

Comprendre le rôle de la famine dans les threads informatiques

La famine en informatique est un véritable défi qui peut entraver l'efficacité des programmes et des systèmes informatiques. Bien qu'elle fasse partie intégrante du monde des threads, la famine est souvent perçue négativement car elle entraîne une répartition inéquitable du temps de traitement entre les différents threads, ce qui affecte les performances et la vitesse d'exécution des programmes.

Définir la famine dans le contexte des threads informatiques

La famine est un scénario dans les environnements multithreads où un thread se voit constamment refuser les ressources nécessaires pour traiter sa charge de travail. Plus précisément, si un thread n'obtient pas suffisamment de temps d'unité centrale pour effectuer ses tâches alors que d'autres threads poursuivent leur exécution sans entrave, on dit que ce thread est en état de famine.

La gestion des ressources entre plusieurs threads qui entrent et sortent de l'exécution est un processus complexe. Les algorithmes d'ordonnancement déterminent la séquence d'exécution des threads, et ils peuvent parfois conduire à un scénario dans lequel un thread devient peu prioritaire et se voit refuser les ressources nécessaires. Cela se produit généralement lorsque certains threads occupent plus de ressources ou de temps d'unité centrale que d'autres, ce qui laisse moins d'espace pour les threads restants.

D'un point de vue algorithmique (bien qu'il soit simplifié), la famine s'apparente à la condition suivante, où un thread \( t \N) ne se voit pas allouer de temps CPU sur une période donnée \N( p \N) : \[ \Nint_{0}^{p} CPU(t) \N, dt = 0 \N].

Par essence, le rôle de la famine dans le threading est un acte d'équilibre qui maintient le flux et le reflux de l'exécution des threads dans les environnements multithreading. Cependant, il s'agit généralement d'une situation à atténuer ou à éviter, car elle peut entraîner des inefficacités et des retards dans l'achèvement des tâches.

La famine dans les threads : Causes et conséquences

Il est essentiel d'identifier les causes et de comprendre les conséquences pour aborder et résoudre n'importe quel problème, et la famine des threads ne fait pas exception à la règle. Comme la famine concerne l'allocation injuste ou inadéquate de ressources aux threads, ses causes sont généralement enracinées dans les défauts ou les biais de l'algorithme d'ordonnancement du processus.

Les algorithmes d'ordonnancement sont conçus pour donner la priorité à certains threads, en fonction de diverses propriétés telles que la taille du processus, le niveau de priorité ou l'heure d'arrivée dans la file d'attente. Parfois, les threads hautement prioritaires peuvent dominer les ressources, laissant les threads faiblement prioritaires languir sans recevoir le temps CPU nécessaire - une cause typique de famine.

Une autre cause fréquente de l'épuisement des threads est liée à la priorité des threads. Certaines applications de streaming ou de jeux, par exemple, peuvent être codées pour être prioritaires, laissant les autres applications avec moins de ressources.

Souvent, l'exclusion mutuelle peut conduire à l'épuisement des threads. Si deux threads ont besoin de la même ressource et que l'un d'entre eux y a accès pendant une période prolongée, l'autre mourra de faim indéfiniment jusqu'à ce que la ressource redevienne disponible.

Quelles sont les conséquences de la privation de threads ? Ce phénomène ne se contente pas de ralentir les threads individuels ; il entraîne souvent une dégradation importante des performances de l'ensemble du processus ou du système. Un thread en état de famine peut retarder les threads et les processus dépendants, ce qui entraîne un effet d'entraînement et une baisse des performances. Par exemple, un serveur Web peut commencer à fonctionner de façon médiocre si des threads critiques qui traitent les demandes des clients sont en train de mourir de faim.

De plus, l'inanition peut conduire à l'arrêt complet du processus dans les cas les plus graves. Cela peut se produire lorsqu'un thread n'obtient pas les ressources nécessaires pour répondre à une certaine exigence du système ou ne parvient pas à respecter une contrainte de temps - un cas extrême étant l'échec du programme.

En conclusion, la famine peut faire des ravages sur l'exécution des threads et les performances du programme si elle n'est pas identifiée et traitée rapidement. Il est donc essentiel d'anticiper la possibilité d'une inanition pendant le traitement des threads et d'inclure des mesures préventives ou d'atténuation dans la phase de programmation ou de conception du système.

Aspects pratiques du threading en informatique

En informatique, les threads ne sont pas seulement des concepts théoriques. Ce sont des composants vitaux qui sous-tendent de nombreux aspects du développement pratique de logiciels. L'utilisation optimale des threads peut améliorer considérablement l'efficacité des programmes, tandis qu'une mauvaise utilisation peut entraîner une dégradation des performances, voire un échec. Les aspects pratiques du threading comprennent la gestion de la famine et la mise en œuvre de techniques de threading efficaces. Ces aspects sont essentiels pour écrire des applications logicielles efficaces et robustes.

Atténuer la famine dans les threads informatiques

Dans le domaine des threads, la famine est un problème critique qui peut entraîner une baisse des performances, voire l'échec des applications. Cependant, il est également possible de l'éviter et, avec les bonnes techniques, ses effets négatifs peuvent être largement atténués.

Une solution efficace pour contrer la famine consiste à concevoir et à mettre en œuvre avec soin des algorithmes d'ordonnancement. Au-delà de la simple planification basée sur les priorités, des algorithmes tels que Round Robin ou l'algorithme Shortest Job First peuvent prévenir la famine en assurant une distribution équitable du temps de l'unité centrale entre les threads. Dans l'ordonnancement Round Robin, chaque thread reçoit une tranche égale ou un "quantum" de temps CPU. L'algorithme Shortest Job First, quant à lui, donne la préférence aux threads dont les demandes de traitement sont moins importantes.

Envisage d'utiliser le vieillissement des priorités, une technique qui augmente progressivement la priorité des threads en attente, en veillant à ce qu'aucun thread n'attende indéfiniment. Un autre moyen consiste à mettre en place des mécanismes de rétroaction dans les algorithmes d'ordonnancement où les threads affamés voient leur priorité progressivement augmentée.

Examinons un exemple de code qui peut aider à illustrer le concept de famine :

Thread highPriority = new Thread(() -> { while (true) { count++ ; } }) ; highPriority.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY) ; Thread lowPriority = new Thread(() -> { while (true) { count++ ; } }) ; lowPriority.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY) ; lowPriority.start() ; highPriority.start

Dans l'extrait de code ci-dessus, deux threads sont démarrés : l'un avec une faible priorité et l'autre avec une priorité élevée. Étant donné que ces deux threads sont en concurrence pour la même ressource (CPU), le thread à priorité élevée consommera la majeure partie du temps CPU, tandis que le thread à faible priorité finira par mourir de faim, et le système souffrira d'une dégradation des performances. Des stratégies d'atténuation telles que le réajustement des niveaux de priorité ou la reconfiguration du planificateur peuvent aider à gérer ces situations de manière plus efficace.

Des techniques de threading efficaces pour de meilleures performances

L'utilisation efficace des threads peut considérablement améliorer les performances de tes programmes. Les techniques et méthodologies avancées suivantes peuvent t'aider à optimiser ton utilisation des threads.

Tout d'abord, il faut toujours prendre en compte le problème de la surcharge des threads. Les systèmes d'exploitation et les environnements de programmation modernes améliorent les performances des threads, mais il y a toujours un coût associé à la création, au changement de contexte et à la terminaison des threads. Il est plus prudent d'avoir un ensemble fixe de threads de travail pour gérer les tâches, plutôt que de terminer et de créer continuellement de nouveaux threads, comme dans un modèle de pool de threads.

Pour illustrer notre propos, examinons deux solutions différentes de threads pour traiter plusieurs demandes de réseau entrantes :

initiale for (int i = 0 ; i < requests.size() ; i++) { new Thread(new NetworkRequestHandler(requests.get(i))).start() ; } // Approche Thread Pool ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10) ; for (Request request : requests) { executor.execute(new NetworkRequestHandler(request)) ; }

Dans l'approche initiale, un nouveau thread est créé pour chaque demande, ce qui entraîne une surcharge importante due à la création et à l'arrêt continus des threads. L'approche du pool de threads, cependant, réutilise un ensemble de threads pour traiter les demandes entrantes, réduisant ainsi les frais généraux et améliorant les performances globales du système.

En outre, il faut utiliser la synchronisation de façon judicieuse. Une utilisation excessive des constructions de synchronisation (comme les verrous ou les mutex) peut entraîner une contention des threads, lorsque plusieurs threads sont en attente d'une ressource partagée, ce qui peut entraîner des blocages ou une famine.

Enfin, essaie de tirer parti du stockage local des threads, une méthode qui fournit un stockage séparé pour les variables de chaque thread. Bien que cela puisse augmenter légèrement l'utilisation de la mémoire, cela peut réduire considérablement le besoin de synchronisation et atténuer les problèmes tels que la contention ou les conditions de course.

// Avant l'utilisation de Thread Local public class UserContext { private static Session session ; public static void setSession(Session s) { session = s ; } public static Session getSession() { return session ; } } // Après l'utilisation de Thread Local public class UserContext { private static ThreadLocal userSession = new ThreadLocal<>() ; public static void setSession(Session s) { userSession.set(s) ; } public static Session getSession() { return userSession.get() ;  } }.  

En conclusion, le threading peut grandement améliorer ou diminuer les performances de tes programmes, selon l'efficacité avec laquelle tu l'utilises. Il est donc essentiel de comprendre et d'utiliser les techniques de threading pour écrire des applications logicielles efficaces, robustes et évolutives.