Teodora Vukovic

Niti

Šta su to niti?

Niti (threads) su osnovne jedinice obrade u računarskom programiranju koje omogućavaju višenitno izvršavanje programa. Svaka nit predstavlja tok izvršavanja unutar procesa i može se smatrati “lakim“ procesom jer ima sopstveni tok izvršavanja, stek i skup registara. Operativni sistem upravlja nitima na nivou jezgra (kernel-level) tako što raspoređuje resurse procesora između niti i pruža mehanizme za sinhronizaciju i komunikaciju između njih. Operativni sistem koristi raspoređivač (scheduler) kako bi odredio redosled izvršavanja niti i kako bi obezbedio pravedno deljenje resursa između procesa i niti. Funkcionalnost niti omogućava programerima da istovremeno izvršavaju razlićite delove koda unutar jednog procesa, što može poboljšati performanse i odizvnost aplikacija. Niti omogućavaju paralelizam izvšavanja, što znači da se različite niti mogu izvršavati istovremeno na različitim procesorskim jezgrima ili sekvencijalno na istom jezgru, u zavisnosti od raspoloživih resursa i prioriteta niti. Niti mogu deliti resurse unutar procesa, poput memorije i datoteka, što omogućava efikasnu komunikaciju i deljenje podataka između različitih delova aplikacije. Međutim, ovo takođe može dovesti do problema sa sinhronizacijom i trkama (race conditions) ako se ne koriste odgovarajući mehanizmi sinhronizacije kao što su zaključavanje (locks) i semafori.

1. Osnovne karakteristike niti

Izvršavanje: Svaka nit ima svoj tok izvršavanja, što znači da može raditi paralelno sa drugim nitima. Kada se proces pokrene, glavna nit se stvara automatski, a nove niti se mogu kreirati prema potrebi.
Resursi: Niti dele istu memoriju procesa (heap), što omogućava lako deljenje podataka, ali može dovesti do problema u slučaju istovremenog pristupa podacima.
Sinhronizacija: Kako bi se izbegli problemi kada više niti pristupa istim resursima, koristi se sinhronizacija. To uključuje različite mehanizme, kao što su:

Mutex (mutual exclusion): Obezbeđuje da samo jedna nit može pristupiti delu koda ili resursu u datom trenutku.
Semaphore: Kontroliše pristup resursima brojem dozvola; može dozvoliti više niti da pristupe resursu istovremeno, do određenog limita.

Condition variables: Koriste se za čekanje na određene uslove u toku izvršavanja.

2. Tipovi niti

User-level threads (Niti korisnika): Ove niti su upravljane od strane korisničkog programa. Operativni sistem nije svestan postojanja ovih niti, što može dovesti do problema prilikom korišćenja CPU resursa.

Kernel-level threads (Niti jezgra): Ove niti su upravljane direktno od strane operativnog sistema. Operativni sistem može zakazati i upravljati njima, što omogućava bolje iskorišćavanje višejezgarskih procesora.

3. Prednosti niti

Povećanje performansi: U aplikacijama koje zahtevaju visoke performanse, kao što su serveri ili obrade podataka, niti omogućavaju da se više zadataka izvršava istovremeno, čime se smanjuje vreme potrebno za obradu.

Poboljšano korisničko iskustvo: U aplikacijama sa grafičkim interfejsom, pozadinske niti mogu izvršavati dugotrajne zadatke (kao što su učitavanje podataka) bez ometanja korisničkog interfejsa.

4. Nedostaci niti

Složenost: Programiranje sa nitima zahteva dodatnu pažnju zbog potencijalnih problema sa sinhronizacijom, kao što su race conditions (uslovne trke) i deadlock (zastoji).

Teškoće u debagovanju: Problemi sa nitima mogu biti teški za identifikaciju i rešavanje, jer se mogu pojaviti samo pod određenim uslovima.

Kako se vrši komunikacija između niti?

Komunikacija između niti u računarskom sistemu odnosi se na mehanizme i tehnike putem kojih različite niti (threads) u jednom procesu ili između različitih procesa međusobno razmenjuju informacije, koordiniraju svoje radnje ili pristupaju zajedničkim resursima. Niti su osnovne jedinice za izvršavanje u računarskom sistemu, i omogućuju višezadaćnost (multithreading) — izvođenje više zadataka istovremeno u okviru istog procesa. Evo nekoliko ključnih aspekata komunikacije između niti:

1. Deljenje resursa i sinhronizacija

Niti u istom procesu obično dele resurse, kao što su memorija i datoteke. Međutim, ako više niti pokušava da pristupi istom resursu u isto vreme, može doći do konflikta, što može dovesti do grešaka, oštećenja podataka ili čak rušenja programa. Da bi se izbegli takvi problemi, koriste se mehanizmi za sinhronizaciju, kao što su:

Muteksi (mutexes): Ovi objekti omogućuju da samo jedna nit u datom trenutku pristupa resursu, dok ostale čekaju da dobiju pristup.
Semafori: Semafori se koriste za upravljanje brojem niti koje mogu pristupiti određenim resursima. Postoji binarni semafor (koji se ponaša kao mutex) i računajući semafor (koji dopušta pristup više niti u isto vreme).
Monitori: Monitor je apstrakcija koja omogućava kontrolisani pristup deljenim podacima. U monitorima su objekti sinhronizovani na nivou metoda, pa niti mogu čekati dok ne postane moguće pristupiti resursu.

2. Komunikacija između niti

Komunikacija između niti je važna kada više niti treba da razmenjuju podatke ili koordiniraju svoj rad. Postoji nekoliko metoda za ostvarivanje te komunikacije:

Korišćenje zajedničke memorije: Niti mogu koristiti deljenu memoriju da međusobno šalju podatke. Ova metoda zahteva pažljivo upravljanje sinhronizacijom kako bi se sprečili konflikti prilikom pristupa podacima.

Poruke (Message Passing): U nekim slučajevima, niti mogu komunicirati razmenjujući poruke. To može biti implementirano pomoću reda poruka (engl. message queue), gde jedna nit postavlja poruku u red, a druga je čita.

Kanali (Channels): U nekim programskim jezicima, poput Go, postoji koncept kanala, koji omogućavaju niti da sigurno razmenjuju podatke. Kanali omogućavaju sinhronizovanu komunikaciju između niti, gde se poruke prenose kroz kanal između producenta i konzumenta.

3. Tipični problemi u komunikaciji između niti

Deadlock: Deadlock nastaje kada dve ili više niti postanu blokirane čekajući međusobno resurse. Na primer, ako nit A drži resurs 1 i čeka na resurs 2, dok nit B drži resurs 2 i čeka na resurs 1, doći će do deadlocka. Ovo je ozbiljan problem u programiranju sa više niti i zahteva pažljivo dizajniranje sinhronizacije.
Race conditions: Do race condition-a dolazi kada više niti pokušava da pristupi i menja zajedničke podatke u isto vreme bez odgovarajuće zaštite, što može dovesti do nepredvidivih rezultata. Da bi se izbegli ovi problemi, koristi se zaštita podataka pomoću mehanizama kao što su mutexi ili semafori.
Starvation: Starvation se dešava kada neka nit ne može da pristupi resursima jer druge niti stalno preuzimaju resurse. To je sličan problem kao i deadlock, ali se odnosi na to da neki procesi ne mogu da napreduju zbog prioritetnih niti koje stalno blokiraju resurse.

4. Strategije za efikasnu komunikaciju među nitima

Korišćenje deljenih objekata sa zaključavanjima (locks): Upotreba tehnika zaključavanja za zaštitu zajedničkih resursa je osnovni način da se obezbedi da samo jedna nit u određenom trenutku pristupa deljenim podacima.
Redovi za poruke: Redovi poruka su korisni za komunikaciju između niti i često se koriste u distribuiranim sistemima ili u sistemima gde niti moraju da komuniciraju bez međusobne direktne koordinacije.
Ne blokirajući pristup (Non-blocking algorithms): Ove tehnike omogućavaju niti da nastave rad bez potrebe da čekaju na resurse, čak i ako su drugi procesi zauzeti, čime se smanjuje vreme čekanja i povećava efikasnost.

5. Konkretne implementacije i alati

POSIX Threads (pthreads): Standard za rad sa nitima u Unix-like sistemima, koji pruža funkcionalnosti za sinhronizaciju i komunikaciju među nitima.
Java Threads: Java pruža bogat set klasa i metoda za rad sa nitima, uključujući sinhronizaciju i komunikaciju putem objekata kao što su synchronized, ExecutorService, CountDownLatch, i drugi.
Go goroutines i kanali: Go je jezik koji koristi gorutine, koje su lagane niti, i kanale za komunikaciju između njih.

Komunikacija između niti je ključna za efikasno upravljanje višezadaćnim operacijama u računarstvu, ali zahteva pažljivo dizajniranje da bi se izbegli problemi kao što su deadlock, race condition i starvation.