محاسبات چندنخی چیست؟

امروزه با پیشرفت سریع علم کامپیوتر و توسعه نرم‌افزار، تقاضا برای برنامه‌های کاربردی کارآمد به‌طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا کرده است. فناوری چند‌نخی (Multithreading) به عنوان یک راه حل برای استفاده از قابلیت معماری‌های سخت‌افزاری ظاهر شده است. هدف از این مقاله ارائه درک دقیقی از مفهوم چندنخی، عملکرد و کاربردهای آن است.

چندفرآیندی (Multi-Processing) به توانایی یک سیستم برای اجرای چندین فرآیند به صورت موازی اشاره دارد که در آن هر پردازنده می تواند یک یا چند فرآیند را اجرا کند. در چندنخی، چندین نخ درون یک فرآیند، بخش‌های کد، داده و فایل‌های یکسانی را به اشتراک می‌گذارند اما روی یک مجموعه ثبات (Register) اختصاصی و پشته (Stack) متفاوت اجرا می‌شوند. چندفرآیندی به جای یک فرآیند واحد از چندین فرآیند استفاده می‌کند و کد، داده و فایل‌ها را تکرار می‌کند، که سربار بیشتری را دارد.

چندنخی برای فرآیندهای محدود به I/O مفید است، مانند خواندن فایل‌ها از یک شبکه یا پایگاه داده، زیرا هر نخ می‌تواند فرآیند را به طور همزمان اجرا کند. هم چند نخی و هم چندفرآیندی برای پردازش‌های محدود به پردازنده، مانند وظایف محاسباتی سنگین مفید هستند زیرا از داشتن چندین پردازنده سود می بردند. شبیه به نحوه عملکرد رایانه‌های چند هسته‌ای که سریع‌تر از رایانه‌های تک هسته‌ای هستند.

دقت کنید که بین همزمانی (Concurrency) و موازی بودن (Parallelism) تفاوت وجود دارد. موازی‌سازی به چندین کار اجازه می‌دهد تا همزمان اجرا شوند، در حالی که همزمانی به چندین کار اجازه می‌دهد تا یکی در میان به روش همپوشانی اجرا شوند.

• رابطه چند به چند: در این مدل هر تعداد نخ کاربر (User Threads) را می‌توان به تعداد مساوی یا کمتر از نخ‌های هسته (Kernel Threads) نگاشت کرد. توسعه د‌هندگان قادر به ایجاد چندین نخ کاربر هستند و نخ‌های هسته مربوطه آن‌ها می‌توانند به صورت موازی روی یک ماشین چند پردازنده اجرا شوند.
• رابطه چند به یک: این مدل چندین نخ در سطح کاربر را به یک نخ در سطح هسته نگاشت می‌کند. هنگامی که یک فراخوانی سیستم مسدود‌کننده برقرار می‌شود، کتابخانه نخ مدیریت نخ را در کتابخانه کاربر انجام می‌دهد و کل فرآیند را مسدود می‌کند. چند نخ نمی‌توانند به صورت موازی اجرا شوند، فقط یک نخ می‌تواند در یک زمان به هسته دسترسی داشته باشد.
• رابطه یک به یک: در این مدل، نخ در سطح کاربر و نخ در سطح هسته یک رابطه یک به یک به اشتراک می‌گذارند. همزمانی ارائه شده توسط این مدل بیشتر از مدل چند به یک است. این امکان اجرای موازی نخ‌های متعدد روی ریزپردازنده‌ها را فراهم می‌کند.

همانطور که دیدیم از طریق اجرای همزمان چندین نخ در یک فرآیند واحد، چندنخی به عنوان یک ابزار قدرتمند برای بهینه‌سازی کارایی، افزایش پاسخگویی و استفاده کارآمد از معماری‌های سخت‌افزاری معاصر ظاهر شده است. توانایی موازی کردن وظایف و استفاده از قدرت نخ‌های متعدد در پرداختن به پیچیدگی روزافزون نیازهای محاسباتی مدرن بسیار حیاتی شده است. با این حال، برنامه‌نویسی چندنخی مؤثر مستلزم درک دقیقی از همگام‌سازی، ارتباط، و در نظر گرفتن دقیق موازی‌سازی است.

1. هدف از چندنخی چیست؟

هدف اصلی چندنخی بهبود کارایی و موازی‌سازی در اجرای برنامه‌ها با استفاده از هسته‌های موازی پردازنده (مانند CPU) است.

2. پردازش موازی چیست؟

پردازش موازی به یک روش محاسباتی اشاره دارد که به پردازش کارهای بزرگ با جداسازی آن‌ها به چندین بخش و تکمیل همزمان آن‌ها با دو یا چند واحد پردازشی کمک می‌کند.

3. چه وظیفه‌هایی از چندنخی بهره‌مند می‌برند؟

چندنخی در وظایفی مانند محاسبات علمی، پردازش تصویر، و اجرای همزمان وظایف مختلف (مثلاً کاربردهای وب) موثر است.

4. چندنخی چیست؟

https://towardsdatascience.com/multithreading-and-multiprocessing-in-10-minutes-20d9b3c6a867

https://builtin.com/data-science/multithreading-multiprocessing

https://www.geeksforgeeks.org/multithreading-in-java/

https://www.techtarget.com/whatis/definition/multithreading

https://data-flair.training/blogs/multithreading-in-operating-system