Thread in der Informatik einfach erklärt

Ein Prozess bezeichnet den Ablauf eines Computerprogramms. Ein Thread ist ein Ausführungsstrang (eine Ausführungsreihenfolge) in der Abarbeitung eines Programms. Er ist Teil eines Prozesses. Man nennt ihn auch Aktivitätsträger oder leichtgewichtiger Prozess. Hier geht es um den Thread im engeren Sinne, den Kernel-Thread. Das Betriebssystem steuert ihn.

Jeder Thread besitzt einen eigenen Threadkontext. Dazu gehören ein unabhängiger Registersatz mit dem Befehlszeiger (Instruction Pointer) und ein eigener Stapel (Stack), meist im gemeinsamen Adressraum des Prozesses. Es kann außerdem Betriebsmittel geben, die nur der Thread benutzen kann oder darf, der sie erzeugt hat. Ein Beispiel ist Thread-local storage.

Die Threads eines Prozesses teilen sich dagegen das Codesegment, das Datensegment und die verwendeten Dateideskriptoren.

Bei den meisten Betriebssystemen hat ein Thread einen Zustand. Aktiv (running) heißt: Der Thread führt Befehle auf der CPU aus. Bereit (ready) heißt: Der Thread ist gestoppt, damit ein anderer Thread rechnen kann. Blockiert (waiting) heißt: Der Thread wartet auf ein Ereignis, meist darauf, dass ein Betriebssystem-Dienst fertig ist. Inaktiv heißt meist: Der Thread wird gerade neu eingerichtet oder hat fertiggerechnet.

Einem Prozess sind ein Adressraum und weitere Betriebssystemmittel zugeordnet. Prozesse sind gegeneinander abgeschirmt: Greift ein Prozess auf Adressen oder Betriebsmittel zu, die ihm nicht zugeteilt wurden, schlägt das fehl. Das Betriebssystem bricht ihn dann ab.

Ein Prozess kann mehrere Threads enthalten, aber auch nur einen einzigen. Die Threads teilen sich innerhalb eines Prozesses die Prozessoren, den Speicher und andere Ressourcen wie Dateien und Netzwerkverbindungen.

Deshalb ist der Verwaltungsaufwand für Threads üblicherweise geringer als für Prozesse. Beim Wechsel zwischen Threads ist kein vollständiger Wechsel des Prozesskontextes nötig, weil alle Threads einen Teil des Prozesskontextes gemeinsam verwenden. Die Umschaltung zwischen Prozessen braucht im Betriebssystem mehr Rechenzeit.

Auch der Austausch von Daten unterscheidet sich. Threads desselben Prozesses verwenden denselben Adressraum, ihre Kommunikation ist von vornherein sehr einfach. Der Informationsaustausch zwischen Prozessen kann dagegen aufwendig sein, zum Beispiel bei message passing.

Bei den meisten bekannten Unix-Systemen (außer Linux) gilt: Ein Programm, das sich falsch verhält, kann seinen eigenen Prozess stören. Das Betriebssystem und andere Prozesse bleiben dabei ungestört.

In der weiten Begriffsauffassung ist Nebenläufigkeit (mitunter auch Parallelität genannt) die Eigenschaft eines Systems, mehrere Aufgaben, Berechnungen oder Befehle gleichzeitig ausführen zu können. Die Operationen können dabei nur scheinbar gleichzeitig laufen, zum Beispiel im Multitasking auf einem Prozessor. Sie können auch echt nebenläufig laufen, zum Beispiel auf einem Mehrkernprozessor oder auf mehreren Computern, die über ein Netzwerk verbunden sind.

In der engeren Begriffsauffassung unterscheidet man genauer. Die nebenläufige Behandlung (englisch concurrency) ist dann vor allem ein Konzept, reale Vorgänge abzubilden. Sie ist auch dann sinnvoll, wenn nur ein einziger CPU-Kern zur Verfügung steht. Die Parallelverarbeitung (englisch parallelism) meint dagegen echt gleichzeitige Berechnung auf mehreren Kernen, meist für ein einziges Problem.

Für Threads heißt das: Threads innerhalb desselben Prozesses können verschiedenen Prozessoren zugeordnet sein. Dann lassen sich umfangreiche Aufgaben auf mehrere Prozessorkerne verteilen. Ein Programm kann zum Beispiel seine Oberfläche bedienen und gleichzeitig auf eine Eingabe warten.

Nicht alles lässt sich nebenläufig ausführen. Müssen Ablaufschritte in einer festen Reihenfolge nacheinander laufen, kann man sie nicht nebenläufig ausführen.

Alle Threads nutzen manche Betriebsmittel gemeinsam. Diese gemeinsame Nutzung kann zu Konflikten führen. Solche Konflikte müssen mit Synchronisationsmechanismen aufgelöst werden.

Ein typischer Konflikt ist die Wettlaufsituation (Race Condition). Hier hängt das Ergebnis einer Operation vom zeitlichen Verhalten einzelner Operationen ab. Das Erhöhen eines Werts besteht aus drei Schritten: Der Wert wird aus dem externen Speicher in den internen Speicher gelesen. Dann wird er im internen Speicher um 1 erhöht. Zuletzt wird er in den externen Speicher zurückgeschrieben. Arbeiten zwei Systeme, nennen wir sie A und B, gleichzeitig und ist die Reihenfolge ihrer Befehle unbestimmt, kann ein falsches Ergebnis herauskommen.

Zur Vermeidung muss A den Zugriff auf den Wert bis zum Abschluss der Veränderung sperren. Dann muss B warten. Erst wenn A die Sperrung aufhebt, gelingt sie B. In Java werden kritische Abschnitte mit synchronized realisiert. Auch Semaphore können eingesetzt werden.

Solche Effekte treten sporadisch auf und sind kaum reproduzierbar. Das macht die Fehlersuche schwierig. Ein nebenläufiges Programm kann leicht in einen nicht vorgesehenen Gesamtzustand geraten, der sich zum Beispiel durch Deadlocks, Datenfehler und Abstürze äußert.