O que é multithreading?
Trata-se de uma técnica de programação que permite a execução de múltiplas threads ao mesmo tempo, de forma independente e compartilhando recursos simultaneamente. Uma thread é a menor unidade de processamento que pode ser agendada pelo sistema operacional.
Com a utilização do multithreading, os desenvolvedores podem criar aplicações que realizam várias tarefas ao mesmo tempo, o que melhora a eficiência e a performance do software.
Como o multithreading funciona?
De forma simples, o multithreading ocorre quando vários threads são organizados em um processo ao mesmo tempo. Isso quer dizer que o sistema possui ainda mais performance, e os threads são compartilhados de maneira independente, com recursos sendo compartilhados simultaneamente.
A seguir, trazemos o passo a passo de como funciona o multithreading.
Threads e processos
As threads compartilham o mesmo “pedaço” de memória, o que facilita que elas conversem entre si. Essas threads formam uma sequência de instruções que são parte de um processo principal.
Como os softwares são organizados em processos, esses processos são organizados em threads, que formam tarefas independentes, embora relacionadas entre si.
Vale dizer que as threads têm algumas limitações e não podem ser usadas em determinados fins que requerem programas multiprocessadores.
Um processo, por sua vez, é uma aplicação sendo executada, sendo que um ou mais threads podem ser executadas no contexto do processo. Como possui uma memória própria, ou seja, um “pedaço” de memória do sistema operacional, essa memoração não pode ser compartilhada com outros processos, enquanto um thread compartilha memória.
Além disso, um thread pode executar qualquer parte do código do processo, até mesmo partes que estão sendo executadas por outro thread.
Outras diferenças substanciais entre processos e threads são:
- um processo não é considerado leve, os threads sim;
- um processo leva mais tempo para terminar e o thread é feito mais rapidamente;
- os processos demandam mais tempo para criação e o thread menos tempo;
- o processo não compartilha dados e os threads compartilham dados entre si.
Vale dizer que, após a criação de um thread, o aplicativo atribui tarefas específicas a uma thread, que podem ser desde lidar com entradas do usuário até a realização de cálculos e o gerenciamento de operações.
Execução simultânea e paralela
Se tratando da execução do multithreading, uma de suas principais características é que sua execução pode ser simultânea ou paralela.
Quando a execução é paralela, o sistema é quem cuida de mais de uma thread em um tempo determinado. Já em execução simultânea, o sistema cuida de uma por vez, trazendo eficiência para mover-se rapidamente entre duas ou mais threads.
No caso da execução simultânea, o sistema operacional alterna rapidamente entre tarefas (troca de contexto), dá a ilusão de paralelismo. Ou seja, enquanto uma tarefa está esperando para ser executada, a outra pode usar a CPU.
Na execução paralela, múltiplas tarefas ou processos são executados ao mesmo tempo em vários núcleos em um sistema multicore. Um sistema ou um processador multicore é aquele que contém múltiplos processadores em um só chip, possibilitando justamente a execução paralela.
Cada núcleo pode executar seu próprio thread ou processo simultaneamente, permitindo uma execução simultânea verdadeira. Isso acarreta melhoria de desempenho para tarefas vinculadas à CPU.
Thread nível usuário x Thread nível kernel
Essa também é uma diferença importante. Afinal, quando se fala apenas em “threads” geralmente a referência são as “kernel threads”, termo destinado às threads gerenciadas e escalonadas no espaço kernel do sistema operacional.
Em contrapartida, ao designar via código as threads gerenciadas e escalonadas no espaço da pessoa usuária, o termo utilizado é “user threads”.
Quais são os modelos de multithreading?
Os principais modelos de multithreading são: um para um, muitos para muitos e muitos para um. Em um sistema operacional, os threads são divididos em thread de nível de usuário e thread de nível de kernel.
Os threads de nível de usuário são operados de forma independente, sem suporte de kernel, enquanto o sistema operacional gerencia diretamente os threads de nível de kernel. Apesar disso, deve haver alguma interligação entre ambas as threads.
Entenda sobre cada um dos modelos abaixo.
Um para um
Esse modelo ocorre quando cada thread da pessoa usuária é mapeada para uma thread do kernel. Caracterizando seu relacionamento como um para um.
Muitos para muitos
Nesse caso, o que acontece é que várias threads de pessoas usuárias são mapeadas para um número igual ou menor de threads do kernel, de acordo com a aplicação ou a máquina.
Muitos para um
Considerado o modelo mais eficiente, aparece no momento em que o espaço da pessoa usuária é quem define a gestão das threads. Ou seja, quando temos várias threads da pessoa usuária mapeadas para uma única thread do kernel.
Qual é a relação entre multithreading, multitasking e multiprocessing?
Apesar de estas três técnicas terem suas próprias características, elas se relacionam entre si. A principal relação entre eles é que estes métodos são usados para melhorar a eficiência e o uso dos recursos do sistema, reduzindo o tempo de resposta e aumentando o desempenho.
O multithreading e o multiprocessing utilizam a execução simultânea de múltiplas instâncias de threads e processos, respectivamente. Sendo assim, ambos são responsáveis por implementar multitasking em sistemas de computador.
Ademais, o multithreading pode ser considerado uma forma de multitasking dentro de um único processo, enquanto o multiprocessing amplia o conceito de multitasking para usar vários processadores físicos.
Quais são os principais usos do multithreading?
Pode-se utilizar o multithreading de diversas maneiras, considerando como foco o desempenho do software ou aplicativo.
Exemplos de multithreading
O multithreading pode ser usado em várias áreas da programação, com processos que ocorrem simultaneamente em uma CPU ou grupo de CPUs, com foco em maior eficiência operacional.
Alguns exemplos de uso de multithreading são:
- APIs de emissão de notas fiscais eletrônica;
- Aplicativos que utilizam recursos de validação, leitura e salvamento, como os softwares de texto;
- Navegadores web onde é possível fazer download de vários arquivos e abrir várias abas ao mesmo tempo em que se navega;
- Jogos de computadores que contém vários objetos em execução simultânea, como carros, motos, humanos e música tocando.
Inclusive, esse modelo pode ser utilizado na interação entre duas ou mais threads no seu ERP.
Quais as vantagens do uso do multithreading?
Podemos elencar alguns benefícios no uso desse modelo de execução para um software: compartilhamento de recursos, maior capacidade de resposta e economia. Isso porque com o multithreading, cada programa recebe uma certa quantidade de tempo para usar o processador e este alterna para outro programa, permitindo que vários programas rodem simultaneamente, o que melhora a eficiência geral do computador.
Entenda sobre cada uma das vantagens abaixo.
Compartilhamento de recursos
Por utilizar os mesmos recursos de memória, arquivos, dados, entre outros, o multithreading permite que uma única aplicação possua diferentes threads dentro do mesmo espaço.
Maior capacidade de resposta
Utilizando esse modelo, os softwares podem ser operados mesmo com algumas partes bloqueadas. Ou até mesmo se o processo estiver executando uma operação demorada.
Economia
Devido ao compartilhamento de recursos, o uso de threads gera economia. Pois construir um software utilizando processos demanda mais tempo e dinheiro, já que exigem mais memória e recursos.
Outro ponto é que a sobrecarga quando se cria e gerencia processos do software é maior do que quando se gerencia threads.
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