Multithreading: differenze tra le versioni

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[[Immagine:Single-thread.png|thumb|right|Un processore single thread esegue un solo thread per volta]]

[[ImmagineFile:Single-thread SMP.png|thumb|right|Un sistemaprocessore multiprocessoresingle classicothread esegue un solo thread per unità di calcoloprocesso]]

[[ImmagineFile:Single-thread SMP.png|thumb|right|Un processoresistema singlemultiprocessore threadclassico esegue un solo thread per voltaunità di calcolo]]

Il '''multithreading''' in [[informatica]] indica il supporto [[hardware]] da parte di un [[processore]] di eseguire più [[thread]]. Questa tecnica si distingue da quella alla base dei sistemi [[Multi core|multiprocessore]] per il fatto che i singoli thread condividono lo stesso spazio d'indirizzamento, la stessa cache e lo stesso [[translation lookaside buffer]]. Il multithreading migliora le prestazioni dei programmi solamente quando questi sono stati sviluppati suddividendo il carico di lavoro su più thread che possono essere eseguiti in parallelo. I sistemi multiprocessore sono dotati di più unità di calcolo indipendenti, un sistema multithread invece è dotato di una singola unità di calcolo che si cerca di utilizzare al meglio eseguendo più theard nella stessa unità di calcolo. Le tecniche sono complementari, a volte i sistemi multiprocessore implementano anche il multithreading per migliorare le prestazioni complessive del sistema.

In [[informatica]] il '''multithreading''' indica il supporto [[hardware]] da parte di un [[processore]] di [[esecuzione (informatica)|eseguire]] più [[Thread (informatica)|thread]]. Questa tecnica si distingue da quella alla base dei sistemi [[Multi core|multiprocessore]] per il fatto che i singoli thread condividono lo stesso spazio d'indirizzamento, la stessa [[memoria cache|cache]] e lo stesso [[translation lookaside buffer]].

Il '''multithreading''' inmigliora [[informatica]]le indica il supporto [[hardware]] da parte di un [[processore]] di eseguire più [[thread]]. Questa tecnica si distingue da quella alla baseprestazioni dei sistemi [[Multiprogramma core(informatica)|multiprocessoreprogrammi]] per il fatto che i singoli thread condividono lo stesso spazio d'indirizzamento, la stessa cache e lo stesso [[translation lookaside buffer]]. Il multithreading migliora le prestazioni dei programmi solamente quando questi sono stati sviluppati suddividendo il carico di lavoro su più thread che possono essere eseguiti in [[calcolo parallelo|parallelo]]. IMentre i sistemi multiprocessore sono dotati di più unità di calcolo indipendenti per le quali l'[[esecuzione (informatica)|esecuzione]] è effettivamente parallela, un sistema multithread invece è dotato di una singola unità di calcolo che si cerca di utilizzare al meglio eseguendo più theardthread nella stessa unità di calcolo. Le due tecniche sono complementari,: a volte i sistemi multiprocessore implementano anche il multithreading per migliorare le prestazioni complessive del sistema.

== Panoramica ==

Il paradigma del '''multitheardingmultithreading''' è diventato molto popolare verso la fine degli [[anni 1990|anni novanta]] quando le ricerche sull'incremento dell'[[instruction level parallelism]] si sono bloccate. Allora si è spostata l'attenzione dall'eseguire un singolo programma alla massima velocità all'occupare con la massima efficienza possibile le unità di calcolo. Si è appurato che molti programmi erano composti da più threadflussi paralleli o potevano essere scomposti in più thread paralleli con lievi modifiche al [[codice sorgente]]. Quindi miglioranddomigliorando l'esecuzione di theardthread parappeliparalleli si poteva migliorare l'esecuzione complessiva dei programmi. Questo ha spinto lo sviluppo dei sistemi multithreading e dei sistemi multiprocessore.

[[Immagine:Superthreaded CPU.png|thumb|right|Un sistema superthreading schedula più thread ma ne esegue uno solo per ciclo di clock]]

Il paradigma del '''multithearding''' è diventato molto popolare verso la fine degli [[anni 1990|anni novanta]] quando le ricerche sull'incremento dell'[[instruction level parallelism]] si sono bloccate. Allora si è spostata l'attenzione dall'eseguire un singolo programma alla massima velocità all'occupare con la massima efficienza possibile le unità di calcolo. Si è appurato che molti programmi erano composti da più thread paralleli o potevano essere scomposti in più thread paralleli con lievi modifiche al codice sorgente. Quindi miglioranddo l'esecuzione di theard parappeli si poteva migliorare l'esecuzione complessiva dei programmi. Questo ha spinto lo sviluppo dei sistemi multithreading e dei sistemi multiprocessore.

Questo filone di ricerca ha portato anche delle critiche, le principali sono:

* Più theardthread condividono le stesse risorse come [[CPU cache|cache]] o translation lookaside buffer e quindi possono interferire a vicenda rallentandosi.

* Le prestazioni dei singoli thread non migliorano, ma anzi possono degradare all'aumento dei thread concorrenti.

* Il supporto hardware del multitheardingmultithreading e dei sistemi multiprocessori richiede anche un contributo del [[software]], i programmi e i [[sistema operativo|sistemi operativi]] devono essere adattati per gestire questa nuova possibilità.

== Clustered Multi-Thread ==

Il ''Clustered Multi-Thread'' è una tecnica che consente la progettazione di processori superscalari senza sacrificare tempo di ciclo, ma a costo di latenze di comunicazione maggiori.<ref>[https://cseweb.ucsd.edu/~tullsen/ipdps04.pdf Clustered Multithreaded Architectures – Pursuing Both IPC and Cycle Time]</ref>

===Idea di baseEsempi ===

Uno dei maggiori esponenti di questa architettura sono i processori Bulldozer di AMD<ref>{{Cita web |url=http://www.tomshw.it/news/amd-vuole-mettere-paura-a-intel-e-nvidia-i-piani-per-il-futuro-66025 |titolo=AMD vuole mettere paura a Intel e Nvidia: i piani per il futuro |accesso=6 maggio 2015 |dataarchivio=9 maggio 2015 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20150509004827/http://www.tomshw.it/news/amd-vuole-mettere-paura-a-intel-e-nvidia-i-piani-per-il-futuro-66025 |urlmorto=sì }}</ref>

== Coarse-grained multithreading ==

=== Idea di base ===

Il multithreading ''coarse-grained'' (a grana grossa) prevede che il processore esegua un singolo thread fino a quando questo non viene bloccato da un evento che normalmente ha una elevata latenza (per esempio un [[cache miss]]), in questo caso il processore provvede a eseguire un altro thread che era pronto per l'esecuzione. Il thread di rimpiazzo rimane in esecuzioniesecuzione fino a quando il primo thread non è pronto per l'esecuzione.

Per esempio:

# Ciclo i : l'[[istruzione (informatica)|istruzione]] j del thread A viene caricata

# Ciclo i+1 : l'istruzione j+1 del thread A viene caricata

# Ciclo i+2 : l'istruzione j+2 del thread A viene caricata, il caricamento provoca un cache miss con corrispondente richiesta nella [[memoria centrale]]

# Ciclo i+3 : il processore avvia l'esecuzione del thread B

# Ciclo i+4 : l'istruzione k del thread B viene caricata

# Ciclo i+5 : l'istruzione k+1 del thread B viene caricata

Concettualmente è una tecnica simile a quella presente nel [[multitasking]] cooperativo dei sistemi [[RTOS]], in questi sistemi operativi quando un programma deve attendere un evento volontariamente cede la priorità a un altro programma pronto all'esecuzione.

=== Terminologia ===

Oltre che ''Coarse-grained'' multithreading viene definito ''Block'' oro ''Cooperative'' multithreading.

=== Costo hardware ===

Il multithreading parte dal presupposto che il passaggio tra thread avvenga in modo rapido, questa tecnica effettua il passaggio in un ciclo di clock. Al fine di ottenere questo il processore deve replicare alcune componenti per i due thread come i [[registro (informatica)|registri]] interni, il [[program counter]] e alcuni registri di stato. Anche gli adattamenti a livello software sono relativamente modesti dato che il sistema operativo deve gestire un numero modesto di thread in esecuzione contemporanea.

=== Esempi ===

Molte famiglie di [[microcontrollore|microcontrollori]] e di processori [[sistema embedded|embedded]] implementano una gestione di più banchi di registri al fine di consentire un veloce [[context switch]] per la gestione degli [[interrupt]]. Questo può essere considerato un tipo multithreading.

* [[Intel]] [[Super-threading]]

* Intel [[Itanium 2]]

== Fine-grained multithreading ==

[[ImmagineFile:Hyper-threaded CPU.png|thumb|right|Un sistema SimultaneousFine-grained Multi-Threadingmultithreading schedula piupiù thread e ne esegue in contemporaneo le istruzioni al fine di occupare al meglio le unità d'elaborazione]]

=== Idea di base ===

Una tipologia di mutithreadingmultithreading moltimolto spinto prevede che il processore scambi il thread in esecuzione a ogni ciclo di clock.

Per esempio:

# Ciclo i : l'istruzione j del thread A viene caricata

# Ciclo i+1 : l'istruzione k del thread B viene caricata

# Ciclo i+2 : l'istruzione h del thread C viene caricata

Questa tipologia di mutithreadingmultithreading dovrebbe rimuovere la dipendenza dai dati dei singoli thread e quindi dovrebbe azzerare o comunque ridurre gli stalli della [[pipeline dati|pipeline]] dovuta alla dipendenza dai dati. Dato che ogni thread dovrebbe funzionare in modo indipendente i singoli thread eseguiranno programmi non correlati e quindi vi saranno poche probabilità che le istruzioni di un thread necessitino dei risultati elaborati da un'istruzione di un altro thread in esecuzione in quel momento.

Concettualmente questa tecnica è simile al multitasking preemptive presente in molti sistemi operativi. Questa analogia parte dal presupposto che ogni slot di tempo dei programmi sia posto uguale a un ciclo di clock del processore.

=== Terminologia ===

Questa tecnica di multithreading inizialmente venne chiamata ''barrel processing'' ma attualmente la terminologia moderna definisce questa tecnica come ''pre-empiteveemptive'' o ''interlavedinterleaved'' o ''time-sliced'' o ''fine-grained'' multithreading.

=== Costo hardware ===

In aggiunta alle componenti indicate precedentemente questa tecnica a di multithreading richiede delle componenti aggiuntive che assegnino a ogni istruzione in esecuzione un'ID che ne permetta di identificare il thread proprietario. Questa tecnica richiede che lo scambio tra i thread avvenga senza senza cicli di clock di stallo e quindi richiedonorichiede hardware più sofisticato; inoltre la presenza di molti thread in esecuzione in parallelo richiede generalmente cache e TLB più capienti al fine di poter servire i vari thread in modo efficiente.

=== Esempi ===

* Denelcor [[Heterogeneous Element Processor]]

* [[Sun Microsystems]] [[UltraSPARC T1]]

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* [[Raza Microelectronics Inc]] XLR

== Simultaneous Multi-Threading ==

[[ImmagineFile:Superthreaded CPU.png|thumb|right|Un sistema superthreadingSimultaneous Multi-Threading schedula più thread ma ne esegue uno solo per ciclo di clock]]

===Idea di base ===

=== Idea di base ===

[[Immagine:Hyper-threaded CPU.png|thumb|right|Un sistema Simultaneous Multi-Threading schedula piu thread e ne esegue in contemporaneo le istruzioni al fine di occupare al meglio le unità d'elaborazione]]

I moderni processori hanno più unità di calcolo che vengono utilizzate eseguendo le istruzioni dei singoli thread in parallelo. Gli attuali processori sono in grado di eseguire solamente poche istruzioni in parallelo di un signolosingolo thread per via del ridotto parallelismo a livello di istruzioni che normalmente i thread possiedono. Quindi spesso alcune unità di elaborazione rimangono inutilizzate durante le elaborazioni. Per evitare questo il Simultaneous Multi-threading (SMT) esegue più thread in contemporanea e utilizza le istruzioni dei singoli thread per mantenere le unità di elaborazione sempre operative.

normalmente i thread possiedono. Quindi spesso alcune unità di elaborazione rimangono inutilizzate durante le elaborazioni. Per evitare questo il Simultaneous Multi-threading (SMT) esegue più thread in contemporanea e utilizza le istruzioni dei singoli thread per mantenere le unità di elaborazione sempre operative.

Per esempio:

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=== Terminologia ===

Per distinguerlo deglidagli altri tipi di multithreading il termine [[temporal multithreading]] indica un tipo di multithreading che permette il completamento di istruzioni di un solo thread per ciclo di clock.

=== Costo hardware ===

In aggiunta all'hardware richiesto dal precedente tipo di multithreading, questa tecnica richiede che ogni stadio della pipeline tracci il thread d'appartenenza dell'istruzione e, dato che il processore ha più unità d'esecuzione, vi sono molte istruzioni da tracciare. Inoltre la cache e la TLB devedevono essere molto ampiaampie per poter gestire un numero di thread moltocosì elevato dato che, eseguiendieseguendo molte più istruzioni in parallelo, fannosi fa un uso molto intenso delle risorse suddette.

risorse suddette.

=== Esempi ===

* [[DEC Alpha]] EV8 (non terminato)

* [[Intel]] [[HyperthreadingHyper-Threading]]

* [[IBM]] [[POWER5]]

* Power Processing Elements del processore [[Cell (processore)|Cell]]

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== Ricerca ==

Attualmente la ricerca neldi settore si concentra su tecniche che permettonopermettano di scegliere rapidamente il thread da mandare in esecuzione in caso di stallo del thread in esecuzione. Un importante filone di ricerca è lo [[scheduler]] dei thread, questoche può essere gestito a livello hardware, a livello software o con un approccio misto.

Un'altra area di ricerca riguarda la tipologia di eventi che devono provocare uno scambio dei thread in esecuzione (cache miss, DMA, comunicazione inter thread, etc).

Se il multithreading replica tutti i registri visibili a livello software è possibile utilizzare il multithreading per implementare delle [[macchina virtuale|macchine virtuali]]. Ogni thread si troverebbe a gestire una propria macchina virtuale che è cosecome se fosse eseguita da un processore separato e quindi potrebbe arrivare ad eseguire ilanche proprioun intero sistema operativo se ritenuto convenienteindipendente.

== Note ==

<references />

== Voci correlate ==

* [[Fork (programmazione)]]

== Collegamenti esterni ==

* {{FOLDOC||multithreading}}

* [http://www.di.unito.it/~gunetti/DIDATTICA/architettureII/06-multithreading-3.pdf Lucidi sul multithreading]

* {{cita web|url = http://www.di.unito.it/~gunetti/DIDATTICA/architettureII/06-multithreading-3.pdf| titolo = Lucidi sul multithreading | formato = pdf |urlarchivio = https://web.archive.org/web/20060609173356/http://www.di.unito.it/~gunetti/DIDATTICA/architettureII/06-multithreading-3.pdf | urlmorto = no}}

* {{cita web | url = http://www.federica.unina.it/ingegneria/programmazione-2/programmazione-multi-thread/ | titolo = Programmazione multi-thread | sito = Università di Napoli | lingua = it | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20120423065229/http://www.federica.unina.it/ingegneria/programmazione-2/programmazione-multi-thread/ | urlmorto = no}}

{{Portale|Informaticainformatica}}

[[Categoria:Microprocessore]]

[[Categoria:Calcolo parallelo]]

[[Categoria:Thread]]

{{Portale|Informatica}}

[[de:Hardwareseitiges Multithreading]]

[[es:Multihilo (CPU)]]

[[en:Multithreading (computer hardware)]]

[[ja:ハードウェアマルチスレッディング]]

[[zh:多執行緒 (電腦硬體)]]