PDF de programación - Hilo de ejecución

Hilo de ejecución

Hilo de ejecución

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En sistemas operativos, un hilo de ejecución o subproceso es una característica que permite a una aplicación realizar
varias tareas a la vez (concurrentemente). Los distintos hilos de ejecución comparten una serie de recursos tales
como el espacio de memoria, los archivos abiertos, situación de autenticación, etc. Esta técnica permite simplificar el
diseño de una aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente.
Un hilo es básicamente una tarea que puede ser ejecutada en paralelo con otra tarea.
Los hilos de ejecución que comparten los mismos recursos, sumados a estos recursos, son en conjunto conocidos
como un proceso. El hecho de que los hilos de ejecución de un mismo proceso compartan los recursos hace que
cualquiera de estos hilos pueda modificar éstos. Cuando un hilo modifica un dato en la memoria, los otros hilos
acceden a ese dato modificado inmediatamente.
Lo que es propio de cada hilo es el contador de programa, la pila de ejecución y el estado de la CPU (incluyendo el
valor de los registros).
El proceso sigue en ejecución mientras al menos uno de sus hilos de ejecución siga activo. Cuando el proceso
finaliza, todos sus hilos de ejecución también han terminado. Asimismo en el momento en el que todos los hilos de
ejecución finalizan, el proceso no existe más y todos sus recursos son liberados.
Algunos lenguajes de programación tienen características de diseño expresamente creadas para permitir a los
programadores lidiar con hilos de ejecución (como Java o Delphi). Otros (la mayoría) desconocen la existencia de
hilos de ejecución y éstos deben ser creados mediante llamadas de biblioteca especiales que dependen del sistema
operativo en el que estos lenguajes están siendo utilizados (como es el caso del C y del C++).
Un ejemplo de la utilización de hilos es tener un hilo atento a la interfaz gráfica (iconos, botones, ventanas), mientras
otro hilo hace una larga operación internamente. De esta manera el programa responde de manera más ágil a la
interacción con el usuario. También pueden ser utilizados por una aplicación servidora para dar servicio a múltiples
clientes.

Diferencias entre hilos y procesos
Los hilos se distinguen de los tradicionales procesos en que los procesos son –generalmente– independientes, llevan
bastante información de estados, e interactúan sólo a través de mecanismos de comunicación dados por el sistema.
Por otra parte, muchos hilos generalmente comparten otros recursos de forma directa. En muchos de los sistemas
operativos que dan facilidades a los hilos, es más rápido cambiar de un hilo a otro dentro del mismo proceso, que
cambiar de un proceso a otro. Este fenómeno se debe a que los hilos comparten datos y espacios de direcciones,
mientras que los procesos, al ser independientes, no lo hacen. Al cambiar de un proceso a otro el sistema operativo
(mediante el dispatcher) genera lo que se conoce como overhead, que es tiempo desperdiciado por el procesador
para realizar un cambio de contexto (context switch), en este caso pasar del estado de ejecución (running) al estado
de espera (waiting) y colocar el nuevo proceso en ejecución. En los hilos, como pertenecen a un mismo proceso, al
realizar un cambio de hilo el tiempo perdido es casi despreciable.
Sistemas operativos como Windows NT, OS/2 y Linux (2.5 o superiores) dicen tener hilos "baratos", y procesos
"costosos" mientras que en otros sistemas no hay una gran diferencia.

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Funcionalidad de los hilos
Al igual que los procesos, los hilos poseen un estado de ejecución y pueden sincronizarse entre ellos para evitar
problemas de compartimiento de recursos. Generalmente, cada hilo tiene una tarea especifica y determinada, como
forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador.

Estados de un hilo
Los principales estados de los hilos son: Ejecución, Listo y Bloqueado. No tiene sentido asociar estados de
suspensión de hilos ya que es un concepto de proceso. En todo caso, si un proceso está expulsado de la memoria
principal (ram), todos sus hilos deberán estarlo ya que todos comparten el espacio de direcciones del proceso.

Cambio de estados
• Creación: Cuando se crea un proceso se crea un hilo para ese proceso. Luego, este hilo puede crear otros hilos
dentro del mismo proceso, proporcionando un puntero de instrucción y los argumentos del nuevo hilo. El hilo
tendrá su propio contexto y su propio espacio de la columna, y pasara a la final de los listos.

• Bloqueo: Cuando un hilo necesita esperar por un suceso, se bloquea (salvando sus registros de usuario, contador
de programa y punteros de pila). Ahora el procesador podrá pasar a ejecutar otro hilo que esté en la final de los
Listos mientras el anterior permanece bloqueado.

• Desbloqueo: Cuando el suceso por el que el hilo se bloqueó se produce, el mismo pasa a la final de los Listos.
• Terminación: Cuando un hilo finaliza se liberan tanto su contexto como sus columnas..

Ventajas de los hilos contra procesos
Si bien los hilos son generados a partir de la creación de un proceso, podemos decir que un proceso es un hilo de
ejecución, conocido como Monohilo. Pero las ventajas de los hilos se dan cuando hablamos de Multihilos, que es
cuando un proceso tiene múltiples hilos de ejecución los cuales realizan actividades distintas, que pueden o no ser
cooperativas entre sí. Los beneficios de los hilos se derivan de las implicaciones de rendimiento.
1. Se tarda mucho menos tiempo en crear un hilo nuevo en un proceso existente que en crear un proceso. Algunas

investigaciones llevan al resultado que esto es así en un factor de 10.

2. Se tarda mucho menos en terminar un hilo que un proceso, ya que cuando se elimina un proceso se debe eliminar

el BCP del mismo, mientras que un hilo se elimina su contexto y pila.

3. Se tarda mucho menos tiempo en cambiar entre dos hilos de un mismo proceso
4. Los hilos aumentan la eficiencia de la comunicación entre programas en ejecución. En la mayoría de los sistemas

en la comunicación entre procesos debe intervenir el núcleo para ofrecer protección de los recursos y realizar la
comunicación misma. En cambio, entre hilos pueden comunicarse entre sí sin la invocación al núcleo. Por lo
tanto, si hay una aplicación que debe implementarse como un conjunto de unidades de ejecución relacionadas, es
más eficiente hacerlo con una colección de hilos que con una colección de procesos separados.

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Sincronización de hilos
Todos los hilos comparten el mismo espacio de direcciones y otros recursos como pueden ser archivos abiertos.
Cualquier modificación de un recurso desde un hilo afecta al entorno del resto de los hilos del mismo proceso.Por lo
tanto, es necesario sincronizar la actividad de los distintos hilos para que no interfieran unos con otros o corrompan
estructuras de datos.
Una ventaja de la programación multihilo es que los programas operan con mayor velocidad en sistemas de
computadores con múltiples CPUs (sistemas multiprocesador o a través de grupo de máquinas) ya que los hilos del
programa se prestan verdaderamente para la ejecución concurrente. En tal caso el programador necesita ser
cuidadoso para evitar condiciones de carrera (problema que sucede cuando diferentes hilos o procesos alteran datos
que otros también están usando), y otros comportamientos no intuitivos. Los hilos generalmente requieren reunirse
para procesar los datos en el orden correcto. Es posible que los hilos requieran de operaciones atómicas para impedir
que los datos comunes sean cambiados o leídos mientras estén siendo modificados, para lo que usualmente se
utilizan los semáforos. El descuido de esto puede generar interbloqueo.

Formas de multihilos
Los sistemas operativos generalmente implementan hilos de dos maneras:
• Multihilo apropiativo: permite al sistema operativo determinar cuándo debe haber un cambio de contexto. La

desventaja de esto es que el sistema puede hacer un cambio de contexto en un momento inadecuado, causando un
fenómeno conocido como inversión de prioridades y otros problemas.

• Multihilo cooperativo: depende del mismo hilo abandonar el control cuando llega a un punto de detención, lo cual

puede traer problemas cuando el hilo espera la disponibilidad de un recurso.

El soporte de hardware para multihilo se encuentra disponible desde hace relativamente poco tiempo. Esta
característica fue introducida por Intel en el Pentium 4, bajo el nombre de HyperThreading.

Usos más comunes
Los usos más comunes son en tecnologías SMPP y SMS para la telecomunicaciones aquí hay muchísimos procesos
corriendo a la vez y todos requiriendo de un servicio.

Trabajo interactivo y en segundo plano
Por ejemplo, en un programa de hoja de cálculo un hilo puede estar visualizando los menús y leer la entrada del
usuario mientras que otro hilo ejecuta las órdenes y actualiza la hoja de calculo. Esta medida suele aumentar la
velocidad que se percibe en la aplicación, permitiendo que el programa pida la orden siguiente antes de terminar la
anterior.

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Procesamiento asíncrono
Los elementos asíncronos de un programa se pueden implementar como hilos. Un ejemplo es como los softwares de
procesamiento de texto guardan archivos temporales cuando se está trabajando en dicho programa. Se crea un hilo
que tiene como función guardar una copia de respaldo mientras se continúa con la operación de escritura por el
usuario sin interferir en la misma.

Aceleración de la ejecución
Se pueden ejecutar, por ejemplo, un lote mien