Computerwissenschaften

Threading-Einführung in Visual Basic

Um das Threading in VB.NET zu verstehen, ist es hilfreich, einige der Grundkonzepte zu verstehen. Zunächst einmal geschieht das Threading, weil das Betriebssystem es unterstützt. Microsoft Windows ist ein vorbeugendes Multitasking-Betriebssystem. Ein Teil von Windows, der als Taskplaner bezeichnet wird, verteilt die Prozessorzeit auf alle laufenden Programme. Diese kleinen Teile der Prozessorzeit werden als Zeitscheiben bezeichnet. Programme sind nicht dafür verantwortlich, wie viel Prozessorzeit sie erhalten, sondern der Taskplaner. Weil diese Zeitscheiben so klein sind, entsteht die Illusion, dass der Computer mehrere Dinge gleichzeitig tut.

Definition des Threads

Ein Thread ist ein einzelner sequentieller Steuerungsfluss.

Einige Qualifikanten:

  • Ein Thread ist ein „Ausführungspfad“ durch diesen Code.
  • Threads teilen sich den Speicher, sodass sie zusammenarbeiten müssen, um das richtige Ergebnis zu erzielen.
  • Ein Thread verfügt über threadspezifische Daten wie Register, einen Stapelzeiger und einen Programmzähler.
  • Ein Prozess ist ein einzelner Code, der viele Threads haben kann, aber mindestens einen und einen einzigen Kontext (Adressraum).

Dies ist Zeug auf Baugruppenebene, aber darauf kommen Sie ein, wenn Sie über Threads nachdenken.

Multithreading vs. Multiprocessing

Multithreading ist nicht dasselbe wie Multicore-Parallelverarbeitung, aber Multithreading und Multiprocessing arbeiten zusammen. Die meisten PCs haben heutzutage Prozessoren mit mindestens zwei Kernen, und normale Heimcomputer haben manchmal bis zu acht Kerne. Jeder Kern ist ein separater Prozessor, der Programme für sich ausführen kann. Sie erhalten eine Leistungssteigerung, wenn das Betriebssystem verschiedenen Kernen einen anderen Prozess zuweist. Die Verwendung mehrerer Threads und mehrerer Prozessoren für eine noch höhere Leistung wird als Parallelität auf Thread-Ebene bezeichnet.

Vieles, was getan werden kann, hängt davon ab, was das Betriebssystem und die Prozessorhardware können, nicht immer, was Sie in Ihrem Programm tun können, und Sie sollten nicht erwarten, dass Sie für alles mehrere Threads verwenden können. Tatsächlich finden Sie möglicherweise nicht viele Probleme, die von mehreren Threads profitieren. Implementieren Sie Multithreading also nicht, nur weil es da ist. Sie können die Leistung Ihres Programms leicht reduzieren, wenn es kein guter Kandidat für Multithreading ist. Nur als Beispiele können Video-Codecs die schlechtesten Multithread-Programme sein, da die Daten von Natur aus seriell sind. Serverprogramme, die Webseiten verarbeiten, gehören möglicherweise zu den besten, da die verschiedenen Clients von Natur aus unabhängig sind.

Gewindesicherheit üben

Multithread-Code erfordert häufig eine komplexe Koordination von Threads. Subtile und schwer zu findende Fehler sind häufig, da verschiedene Threads häufig dieselben Daten gemeinsam nutzen müssen, damit Daten von einem Thread geändert werden können, wenn ein anderer dies nicht erwartet. Der allgemeine Begriff für dieses Problem lautet „Rennbedingung“. Mit anderen Worten, die beiden Threads können in ein „Rennen“ geraten, um dieselben Daten zu aktualisieren, und das Ergebnis kann unterschiedlich sein, je nachdem, welcher Thread „gewinnt“. Angenommen, Sie codieren eine Schleife:

Wenn der Schleifenzähler „I“ unerwartet die Zahl 7 verfehlt und von 6 auf 8 wechselt – aber nur teilweise -, hätte dies katastrophale Auswirkungen auf das, was die Schleife tut. Das Verhindern solcher Probleme wird als Thread-Sicherheit bezeichnet. Wenn das Programm das Ergebnis einer Operation in einer späteren Operation benötigt, kann es unmöglich sein, parallele Prozesse oder Threads zu codieren, um dies zu tun. 

Grundlegende Multithreading-Operationen

Es ist Zeit, dieses Vorsichtsgespräch in den Hintergrund zu rücken und Multithreading-Code zu schreiben. In diesem Artikel wird der Einfachheit halber derzeit eine Konsolenanwendung verwendet. Wenn Sie mitmachen möchten, starten Sie Visual Studio mit einem neuen Konsolenanwendungsprojekt.

Der primäre Namespace, der vom Multithreading verwendet wird, ist der System.Threading-Namespace, und die Thread-Klasse erstellt, startet und stoppt neue Threads. Beachten Sie im folgenden Beispiel, dass TestMultiThreading ein Delegat ist. Das heißt, Sie müssen den Namen einer Methode verwenden, die die Thread-Methode aufrufen kann.

In dieser App hätten wir das zweite Sub ausführen können, indem wir es einfach aufgerufen hätten:

Dies hätte die gesamte Anwendung seriell ausgeführt. Das erste obige Codebeispiel startet jedoch die TestMultiThreading-Unterroutine und fährt dann fort.

Ein Beispiel für einen rekursiven Algorithmus

Hier ist eine Multithread-Anwendung, bei der Permutationen eines Arrays mithilfe eines rekursiven Algorithmus berechnet werden. Hier wird nicht der gesamte Code angezeigt. Das Array der zu permutierenden Zeichen ist einfach „1“, „2“, „3“, „4“ und „5“. Hier ist der relevante Teil des Codes.

Beachten Sie, dass es zwei Möglichkeiten gibt, das Permute-Sub aufzurufen (beide im obigen Code auskommentiert). Einer startet einen Thread und der andere ruft ihn direkt auf. Wenn Sie es direkt anrufen, erhalten Sie:

Wenn Sie jedoch einen Thread starten und stattdessen das Permute-Sub starten, erhalten Sie:

Dies zeigt deutlich, dass mindestens eine Permutation generiert wird, dann bewegt sich das Main-Sub vorwärts und endet mit der Anzeige „Finished Main“, während der Rest der Permutationen generiert wird. Da die Anzeige von einem zweiten Sub stammt, das vom Permute-Sub aufgerufen wird, wissen Sie, dass dies auch Teil des neuen Threads ist. Dies veranschaulicht das Konzept, dass ein Thread „ein Ausführungspfad“ ist, wie bereits erwähnt.

Beispiel für eine Rennbedingung

Der erste Teil dieses Artikels erwähnte eine Rennbedingung. Hier ist ein Beispiel, das es direkt zeigt:

Das Sofortfenster zeigte dieses Ergebnis in einem Versuch. Andere Versuche waren anders. Das ist die Essenz einer Rennbedingung.

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