Thread

Thread adalah sebuah alur kontrol dari sebuah proses. Suatu proses yang multithreaded mengandung beberapa perbedaan alur kontrol dengan ruang alamat yang sama. Keuntungan dari multithreaded meliputi peningkatan respon dari user, pembagian sumber daya proses, ekonomis, dan kemampuan untuk mengambil keuntungan dari arsitektur multiprosesor. User level thread adalah thread yang tampak oleh programmer dan tidak diketahui oleh kernel. User level thread secara tipikal dikelola oleh sebuah library thread di ruang user. Kernel level thread didukung dan dikelola oleh kernel sistem operasi. Secara umum, user level thread lebih cepat dalam pembuatan dan pengelolaan dari pada kernel thread. Ada tiga perbedaan tipe dari model yang berhubungan dengan user dan kernel thread.

(gambar thread)

Konsep Dasar

Secara informal, proses adalah program yang sedang dieksekusi. Ada dua jenis proses, proses berat (heavyweight) atau biasa dikenal dengan proses tradisional, dan proses ringan atau kadang disebut thread.

Thread saling berbagi bagian program, bagian data dan sumber daya sistem operasi dengan thread lain yang mengacu pada proses yang sama. Thread terdiri atas ID thread, program counter, himpunan register, dan stack. Dengan banyak kontrol thread proses dapat melakukan lebih dari satu pekerjaan pada waktu yang sama.

Keuntungan

1. Tanggap: Multithreading mengizinkan program untuk berjalan terus walau pun pada bagian program tersebut di block atau sedang dalam keadaan menjalankan operasi yang lama/ panjang. Sebagai contoh, multithread web browser dapat mengizinkan pengguna berinteraksi dengan suatu thread ketika suatu gambar sedang diload oleh thread yang lain.

2. Pembagian sumber daya: Secara default, thread membagi memori dan sumber daya dari proses. Keuntungan dari pembagian kode adalah aplikasi mempunyai perbedaan aktifitas thread dengan alokasi memori yang sama.

3. Ekonomis: Mengalokasikan memori dan sumber daya untuk membuat proses adalah sangat mahal. Alternatifnya, karena thread membagi sumber daya dari proses, ini lebih ekonomis untuk membuat threads.

4. Pemberdayaan arsitektur multiprosesor: Keuntungann dari multithreading dapat ditingkatkan dengan arsitektur multiprosesor, dimana setiap thread dapat jalan secara parallel pada prosesor yang berbeda. Pada arsitektur prosesor tunggal, CPU biasanya berpindah-pindah antara setiap thread dengan cepat, sehingga terdapat ilusi paralelisme, tetapi pada kenyataannya hanya satu thread yang berjalan di setiap waktu.

Model Multithreading

Dalam sub bab sebelumnya telah dibahas pengertian dari thread, keuntungannya, tingkatan atau levelnya seperti pengguna dan kernel. Maka dalam sub-bab ini pembahasan akan dilanjutkan dengan jenis-jenis thread tersebut dan contohnya baik pada Solaris mau pun Java.

Sistem-sistem yang ada sekarang sudah banyak yang bisa mendukung untuk kedua pengguna dan kernel thread, sehingga model-model multithreading-nya pun menjadi beragam. Implementasi multithreading yang umum akan kita bahas ada tiga, yaitu model many-to-one, one-to-one, dan many-to-many.

(gambar multithreading)

Model Many to One

Model many-to-one ini memetakan beberapa tingkatan pengguna thread hanya ke satu buah kernel thread. Managemen proses thread dilakukan oleh (di ruang) pengguna, sehingga menjadi efisien, tetapi apabila sebuah thread melakukan sebuah pemblokingan terhadap sistem pemanggilan, maka seluruh proses akan berhenti (blocked). Kelemahan dari model ini adalah multihreads tidak dapat berjalan atau bekerja secara paralel di dalam multiprosesor dikarenakan hanya satu thread saja yang bisa mengakses kernel dalam suatu waktu.

(gambar model many to one)

Model One to One

Model one-to-one memetakan setiap thread pengguna ke dalam satu kernel thread. Hal ini membuat model one-to-one lebih sinkron daripada model many-to-one dengan mengizinkan thread lain untuk berjalan ketika suatu thread membuat pemblokingan terhadap sistem pemanggilan; hal ini juga mengizinkan multiple thread untuk berjalan secara parallel dalam multiprosesor. Kelemahan model ini adalah dalam pembuatan thread pengguna dibutuhkan pembuatan korespondensi thread pengguna. Karena dalam proses pembuatan kernel thread dapat mempengaruhi kinerja dari aplikasi maka kebanyakan dari implementasi model ini membatasi jumlah thread yang didukung oleh sistem. Model one-to-one diimplementasikan oleh Windows NT dan OS/2.

(model one to one)

Model Many to Many

Beberapa tingkatan thread pengguna dapat menggunakan jumlah kernel thread yang lebih kecil atau sama dengan jumlah thread pengguna. Jumlah dari kernel thread dapat dispesifikasikan untuk beberapa aplikasi dan beberapa mesin (suatu aplikasi dapat dialokasikan lebih dari beberapa kernel thread dalam multiprosesor daripada dalam uniprosesor) dimana model many-to-one mengizinkan pengembang untuk membuat thread pengguna sebanyak mungkin, konkurensi tidak dapat tercapai karena hanya satu thread yang dapat dijadualkan oleh kernel dalam satu waktu. Model one-to-one mempunyai konkurensi yang lebih tinggi, tetapi pengembang harus hati-hati untuk tidak membuat terlalu banyak thread tanpa aplikasi dan dalam kasus tertentu mungkin jumlah thread yang dapat dibuat dibatasi.

(gambar many to many)

Thread Cancellation

Thread cancellation adalah tugas untuk memberhentikan thread sebelum ia menyelesaikan tugasnya. Sebagi contohnya jika dalam program java kita hendak mematikan JVM( Java Virtual Machine ) maka sebelum JVM-nya dimatikan maka seluruh thread yang berjalan dihentikan terlebuh dahulu. Thread yang akan diberhentikan biasa disebut target thread.
Pemberhentian target thread bisa terjadi melalui 2 cara yang berbeda :

1. Asynchronous cancellation : suatu thread seketika itu juga memberhentikan target thread.
2. Defered cancellation : target thread secara perodik memeriksa apakah dia harus berhenti, cara ini memperbolehkan targetthread untuk memberhentikan dirinya sendiri secara terurut.

Hal yang sulit dari pemberhentian thread ini adalah ketika terjadi situasi dimana sumber daya sudah dialokasikan untuk thread yang akan diberhentikan. Selain itu kesulitan lain adalah ketika thread yang diberhentikan sedang meng-update data yang ia bagi dengan thread lain. Hal ini akan menjadi masalah yang sulit apabila digunakan asynchronous cancellation . Sistem operasi akan mengambil kembali sumber daya dari thread yang diberhentikan tetapi seringkali sistem operasi tidak mengambil kembali semua sumber daya dari thread yang diberhentikan.
Alternatifnya adalah dengan menggunakan Deffered cancellation . Cara kerja dari deffered cancellation adalah dengan menggunakan 1 thread yang berfungsi sebagai pengindikasi bahwa target thread hendak diberhentikan. Tetapi pemberhentian hanya akan terjadi jika target thread memeriksa apakah ia harus berhenti atau tidak. Hal ini memperbolehkan thread untuk memeriksa apakah ia harus berhenti pada waktu dimana ia bisa diberhentikan secara aman yang aman. Pthread merujuk tersebut sebagai cancellation points .

Pada umumnya sistem operasi memperbolehkan proses atau thread untuk diberhentikan secara asynchronous . Tetapi Pthread API menyediakan deferred cancellation . Hal ini berarti sistem operasi yang mengimplementasikan Pthread API akan mengijinkan deferred cancellation .


Thread Pools

Pada web server yang multithreading ada 2 masalah yang timbul :

1. Ukuran waktu yang diperlukan untuk menciptakan thread untuk melayani permintaan yang diajukan terlebih pada kenyataannya thread dibuang ketika ia seketika sesudah ia menyelesaikan tugasnya.
2. Pembuatan thread yang tidak terbatas jumlahnya dapat menurunkan performa dari sistem.
   
   

Solusinya adalah dengan penggunaan Thread Pools, cara kerjanya adalah dengan membuat beberapa thread pada proses startup dan menempatkan mereka ke pools , dimana mereka duduk diam dan menunggu untuk bekerja. Jadi ketika server menerima permintaan maka maka ia akan membangunkan thread dari pool dan jika threadnya tersedia maka permintaan tersebut akan dilayani. Ketika thread sudah selesai mengerjakan tugasnya maka ia kembali ke pool dan menunggu pekerjaan lainnya. Bila tidak thread yang tersedia pada saat dibutuhkan maka server menunggu sampai ada 1 thread yang bebas.
Keuntungan thread pool :

1. Biasanya lebih cepat untuk melayani permintaan dengan thread yang ada dibanding dengan menunggu thread baru dibuat.
2. Thread pool membatasi jumlah thread yang ada pada suatu waktu. Hal ini pentingpada sistem yang tidak bisa mendukung banyak thread yang berjalan secara concurrent .
   

Jumlah thread dalam pool bisa tergantung dari jumlah CPU dalam sistem, jumlah memori fisik, dan jumlah permintaan klien yang concurrent .

Thread Java

Seperti yang telah kita lihat, thread didukung selain oleh sistem operasi juga oleh paket library thread. Sebagai contoh, Win32 library mempunyai API untuk multithreading aplikasi Windows, dan Pthreads mempunyai fungsi manajmen thread untuk sistem POSIX-compliant. Java adalah unik dalam mendukung tingkatan bahasa untuk membuat dan managemen thread.

Semua program java mempunyai paling sedikit satu kontrol thread. Bahkan program java yang sederhana mempunyai hanya satu main() method yang berjalan dalam thread tunggal dalam JVM. Java menyediakan perintah-perintah yang mendukung pengembang untuk membuat dan memanipulasi kontrol thread pada program.

Satu cara untuk membuat thread secara eksplisit adalah dengan membuat kelas baru yang diturunkan dari kelas thread, dan menimpa run() method dari kelas Thread tersebut.

Object yang diturunkan dari kelas tersebut akan menjalankan sebagian thread control dalam JVM. Bagaimana pun, membuat suatu objek yang diturunkan dari kelas Thread tidak secara spesifik membuat thread baru, tetapi start() method lah yang sebenarnya membuat thread baru.

Memanggil start() method untuk objek baru mengalokasikan memori dan menginisialisasikan thread baru dalam JVM dan memanggil run() method membuat thread pantas untuk dijalankan oleh JVM. (Catatan: jangan pernah memanggil run() method secara langsung. Panggil start() method dan ini secara langsung akan memanggil run() method).

Ketika program ini dijalankan, dua thread akan dibuat oleh JVM. Yang pertama dibuat adalah thread yang berasosiasi dengan aplikasi-thread tersebut mulai dieksekusi pada main() method. Thread kedua adalah runner thread secara ekspilisit dibuat dengan start() method. Runner thread memulai eksekusinya dengan run() method.

Pilihan lain untuk membuat sebuah thread yang terpisah adalah dengan mendefinisikan suatu kelas yang mengimplementasikan runnable interface. Runnable interface tersebut didefinisikan sebagai berikut:

Gambar 2-23. Runnable. Sumber: . . .

Public interface Runnable { Public abstract void run(); }

Sehingga, ketika sebuah kelas diimplementasikan dengan runnable, kelas tersebut harus mendefinisikan run() method. Kelas thread yang berfungsi untuk mendefinisikan static dan instance method, juga mengimplementasikan runnable interface. Itu menerangkan bahwa mengapa sebuah kelas diturunkan dari thread harus mendefinisikan run() method.

Implementasi dari runnable interface sama dengan mengekstend kelas thread, satu-satunya kemungkinan untuk mengganti "extends thread" dengan "implements runnable".

Gambar 2-24. Class Worker2. Sumber: . . .

Class worker2 implements Runnable { Public void run() { System. Out. Println ("I am a worker thread. "); } }

Membuat sebuah thread dari kelas yang diimplementasikan oleh runnable berbeda dengan membuat thread dari kelas yang mengekstend thread. Selama kelas baru tersebut tidak mengekstend thread, dia tidak mempunyai akses ke objek static atau instance method — seperti start() method — dari kelas thread. Bagaimana pun, sebuah objek dari kelas thread adalah tetap dibutuhkan, karena yang membuat sebuah thread baru dari kontrol adalah start() method.

Di kelas kedua, sebuah objek thread baru dibuat melalui runnable objek dalam konstruktornya. Ketika thread dibuat oleh start() method, thread baru mulai dieksekusi pada run() method dari runnable objek. Kedua method dari pembuatan thread tersebut adalah cara yang paling sering digunakan.

Thread Linux

Ketika pertama kali dikembangkan, Linux tidak didukung dengan threading di dalam kernelnya, tetapi dia mendukung proses-proses sebagai entitas yang dapat dijadwalkan melalui clone() system calls. Sekarang Linux mendukung penduplikasian proses menggunakan system call clone() dan fork(). Clone() mempunyai sifat mirip dengan fork(), kecuali dalam hal pembuatan copy dari proses yang dipanggil dimana ia membuat sebuah proses yang terpisah yang berbagi address space dengan proses yang dipanggil. Pembagian address space dari parent process memungkinkan cloned task bersifat mirip dengan thread yang terpisah. Pembagian address space ini dimungkinkan karena proses direpresentasikan di dalam Kernel Linux. Di dalam Kernel Linux setiap proses direpresentasikan sebagai sebuah struktur data yang unik. Jadi, daripada menciptakan yang baru maka struktur data yang baru mengandung pointer yang menunjuk ke tempat dimana data berada. Jadi ketika fork() dipanggil, proses yang baru akan tercipta beserta duplikasi dari segala isi di struktur data di parent process, namun ketika clone() dipanggil, ia tidak menduplikasi parent processnya tetapi menciptakan pointer ke struktur data pada parent process yang memungkinkan child process untuk berbagi memori dan sumber daya dari parent processnya. Project LinuxThread menggunakan system call ini untuk mensimulasi thread di user space. Sayangnya, pendekatan ini mempunyai beberapa kekurangan, khusunya di area signal handling, scheduling, dan interprocess synchronization primitive.
Untuk meningkatkan kemampuan Thread Linux, dukungan kernel dan penulisan ulang pustaka thread sangat diperlukan. Dua project yang saling bersaing menjawab tantangan ini. Sebuah tim yang terdiri dari pengembang dari IBM membuat NGPT (Next Generation POSIX Threads). Sementara pengembang dari Red Hat membuat NPTL (Native POSIX Thread Library).Sebenarnya Linux tidak membedakan antara proses dan thread. Dalam kenyataannya, Linux lebih menggunakan istilah task dibandingkan proses dan thread ketika merujuk kepada pengaturan alur pengontrolan di dalam program.