Processus Légers (Threads) : Une Exploration pour les Lycéens

Introduction aux Threads

Un thread (ou processus léger) est une unité d'exécution au sein d'un processus. Imaginez un processus comme une maison, et les threads comme les personnes qui vivent dans cette maison. Tous les threads d'un même processus partagent le même espace mémoire et les mêmes ressources (fichiers ouverts, etc.). Cela permet aux threads de communiquer facilement entre eux. Un processus peut avoir un ou plusieurs threads. Un processus avec un seul thread est appelé processus monothread, tandis qu'un processus avec plusieurs threads est appelé processus multithread.

Avantages du Multithreading

L'utilisation des threads présente plusieurs avantages:

• Réactivité: Un processus multithread peut rester réactif même si l'un de ses threads est bloqué (par exemple, en attente de données). Par exemple, dans un éditeur de texte, un thread peut être responsable de l'affichage du texte, tandis qu'un autre thread peut être responsable de la sauvegarde du fichier. Si le thread de sauvegarde est bloqué, le thread d'affichage peut continuer à fonctionner, permettant à l'utilisateur de continuer à taper du texte.
• Partage des ressources: Les threads partagent le même espace mémoire, ce qui facilite la communication et le partage des données entre eux.
• Economie: La création d'un thread est moins coûteuse que la création d'un processus. Le changement de contexte entre threads est également plus rapide que le changement de contexte entre processus.
• Parallélisme: Sur un système multiprocesseur (avec plusieurs cœurs de CPU), les threads peuvent être exécutés en parallèle sur différents cœurs, ce qui peut améliorer les performances du programme.

Inconvénients du Multithreading

L'utilisation des threads présente également des inconvénients:

• Complexité: La programmation multithread est plus complexe que la programmation monothread. Il faut faire attention aux problèmes de synchronisation et de concurrence (par exemple, les conditions de course, les interblocages).
• Synchronisation: Comme les threads partagent le même espace mémoire, il faut s'assurer que les accès aux données partagées sont synchronisés, afin d'éviter les conflits. On utilise des mécanismes de synchronisation tels que les mutex, les sémaphores et les verrous.
• Débogage: Le débogage des programmes multithread est plus difficile que le débogage des programmes monothread. Il est difficile de reproduire et de comprendre les problèmes de concurrence.

Synchronisation des Threads

La synchronisation des threads est essentielle pour éviter les problèmes de concurrence. Voici quelques mécanismes de synchronisation courants:

• Mutex (exclusion mutuelle): Un mutex est un verrou qui peut être acquis par un seul thread à la fois. Si un thread essaie d'acquérir un mutex déjà acquis par un autre thread, il sera bloqué jusqu'à ce que le mutex soit libéré.
• Sémaphores: Un sémaphore est un compteur qui peut être incrémenté et décrémenté. Il permet de contrôler l'accès à une ressource partagée par un nombre limité de threads.
• Verrous (locks): Similaires aux mutex, mais peuvent offrir des fonctionnalités supplémentaires, comme la possibilité d'acquérir un verrou en lecture ou en écriture.

Par exemple, imaginez une variable partagée par deux threads. Si les deux threads essaient de modifier la variable en même temps, il peut y avoir une condition de course. Pour éviter cela, on peut utiliser un mutex. Le premier thread qui souhaite modifier la variable doit acquérir le mutex. Une fois qu'il a terminé de modifier la variable, il doit libérer le mutex. Le deuxième thread ne pourra modifier la variable qu'une fois que le mutex aura été libéré.

Exemple Simple de Multithreading

Voici un exemple simple illustrant le concept de multithreading. Imaginez un programme qui doit effectuer deux tâches:

• Télécharger un fichier depuis internet.
• Afficher une barre de progression pendant le téléchargement.

Dans un programme monothread, si le téléchargement prend du temps, l'interface utilisateur sera bloquée et la barre de progression ne se mettra pas à jour. Avec un programme multithread, on peut créer un thread pour le téléchargement et un autre thread pour l'affichage de la barre de progression. Le thread de téléchargement effectue le téléchargement en arrière-plan, tandis que le thread de l'interface utilisateur met à jour la barre de progression. Ainsi, l'interface utilisateur reste réactive pendant le téléchargement.

Ce qu'il faut retenir

• Un thread est une unité d'exécution au sein d'un processus.
• Les threads partagent le même espace mémoire et les mêmes ressources.
• Le multithreading permet d'améliorer la réactivité, le partage des ressources, l'économie et le parallélisme.
• La programmation multithread est plus complexe et nécessite une synchronisation.
• Les mécanismes de synchronisation courants sont les mutex, les sémaphores et les verrous.