Wątek (informatyka)

Ten artykuł od 2021-04 wymaga zweryfikowania podanych informacji.

Należy podać wiarygodne źródła w formie przypisów bibliograficznych.
Część lub nawet wszystkie informacje w artykule mogą być nieprawdziwe. Jako pozbawione źródeł mogą zostać zakwestionowane i usunięte.
Sprawdź w źródłach: Encyklopedia PWN • Google Books • Google Scholar • Federacja Bibliotek Cyfrowych • BazHum • BazTech • RCIN • Internet Archive (texts / inlibrary)
Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu.
Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

Wątek (ang. thread) – część programu wykonywana współbieżnie w obrębie jednego procesu; w jednym procesie może istnieć wiele wątków.

Różnica między zwykłym procesem a wątkiem polega na współdzieleniu przez wszystkie wątki działające w danym procesie przestrzeni adresowej oraz wszystkich innych struktur systemowych (np. listy otwartych plików, gniazd itp.) – z kolei procesy posiadają niezależne zasoby.

Ta cecha ma dwie ważne konsekwencje:

Wątki wymagają mniej zasobów do działania i też mniejszy jest czas ich tworzenia.
Dzięki współdzieleniu przestrzeni adresowej (pamięci) wątki jednego zadania mogą się między sobą komunikować w bardzo łatwy sposób, niewymagający pomocy ze strony systemu operacyjnego. Przekazanie dowolnie dużej ilości danych wymaga przesłania jedynie wskaźnika, zaś odczyt (a niekiedy zapis) danych o rozmiarze nie większym od słowa maszynowego nie wymaga synchronizacji (procesor gwarantuje atomowość takiej operacji).

Wątki są udostępniane wprost przez system operacyjny MS Windows, w systemach Linux, BSD i innych dostępna jest biblioteka pthread, dająca jednolity interfejs, ukrywający szczegóły implementacji. W językach programowania używających maszyn wirtualnych (Python, Java itp.) są dostępne również tzw. zielone wątki, które nie są obsługiwane przez system operacyjny, ale samą maszynę wirtualną – to pozwala m.in. na realizację współbieżności nawet wtedy, gdy docelowy system operacyjny nie udostępnia wątków.

Brak synchronizacji między wątkami

W systemach wieloprocesorowych, a także w systemach z wywłaszczaniem, wątki mogą być wykonywane równocześnie (współbieżnie). Równoczesny dostęp do wspólnych danych grozi jednak utratą spójności danych i w konsekwencji błędem działania programu.

Podręcznikowy przykład: ciąg instrukcji odczyt-zmiana-zapis.

Załóżmy, że program ma dane do przetwarzania, umieszczone w N pierwszych komórkach tablicy X. Liczba N zapisana jest w odpowiedniej zmiennej. Algorytm przetwarzania mógłby wyglądać następująco:

odczytaj zmienną N i sprawdź, czy jest równa 0
jeśli tak (nie ma danych w X), przejdź do kroku 7.
(tu wchodzimy, gdy N równe 1 lub więcej) odczytaj wartość X[N]
zmniejsz wartość N o 1 (zaznacz, że N-ta dana została już zabrana)
zrób coś z tą odczytaną daną (tu następuje właściwe przetwarzanie)
(dana obsłużona – zajmij się następną) przejdź do kroku 1.
(koniec pracy)

Jest to najprostsza pętla opróżniająca stos X. W środowisku jednowątkowym działa zgodnie z oczekiwaniami, przetwarzając kolejno dane X[N], X[N-1], itd. aż do X[1], po czym zatrzymuje się z zerową wartością zmiennej N.

Jednak w środowisku wielowątkowym dwa równoczesne wątki mogą wykonać się w taki sposób (załóżmy N=2):

wątek 1		wątek 2
krok	czynność	krok	czynność
1.	odczyt N=2
2.	(nic; N > 0)	1.	odczyt N=2
3.	odczyt X[N], czyli X[2]	2.	(nic; N > 0)
		3.	odczyt X[N], czyli X[2]
4.	zapis N=1
		4.	zapis N=1
5.	(przetwarzanie)	5.	(przetwarzanie)
6.	(przejście do 1.)	6.	(przejście do 1.)

Jak widać, oba wątki pobrały do przetwarzania tę samą daną X[2]. Jeśli nasz program jest systemem księgowym, a w X[2] było zapisane "dokonaj przelewu kwoty xxxx z rachunku nnnn na rachunek mmmm", to przelew zostanie zaksięgowany dwukrotnie.

W dalszym ciągu wykonania tego samego programu możliwy jest również inny przypadek. Przypuśćmy, że wątek nr 1 wolniej przetwarzał X[2] i teraz wątek nr 2 zaczyna kolejny cykl:

wątek 1		wątek 2
krok	czynność	krok	czynność
		1.	odczyt N=1
1.	odczyt N=1	2.	(nic; N > 0)
		3.	odczyt X[N], czyli X[1]
2.	(nic; N > 0)
		4.	zapis N=0
3.	odczyt X[N], czyli X[0]
	....		....

Pomimo posłużenia się licznikiem N wątek nr 1 usiłuje pobrać nieistniejący element danych spod nielegalnego indeksu – X[0]. W zależności od różnych czynników spowoduje to natychmiastowe awaryjne przerwanie działania programu albo dowolne, nieprzewidywalne zaburzenia (błędy) w dalszym jego działaniu.

Do zapobiegania takim sytuacjom wykorzystuje się mechanizmy synchronizacji wątków: semafory, muteksy, sekcje krytyczne.

Zobacz też