Hilo virtual

En programación informática , un hilo virtual es un hilo gestionado por una biblioteca de tiempo de ejecución o una máquina virtual (VM) que se comporta como un hilo del núcleo para el código que se ejecuta en él, aunque requiere muchos menos recursos que este último.

Los subprocesos virtuales permiten decenas de millones de tareas y eventos con prioridad en un ordenador de consumo de 2021, ^{[ 1 ]} en comparación con los pocos miles de subprocesos del sistema operativo . ^{[ 2 ]} La ejecución con prioridad ^{[ 3 ]} es importante para obtener mejoras de rendimiento mediante el paralelismo y tiempos de respuesta rápidos con prioridad para decenas de millones de eventos.

Las construcciones anteriores que no son o no siempre son preventivas, como las corrutinas , los hilos ligeros o Node.js , que en su mayoría es de un solo hilo, introducen retrasos en la respuesta a eventos asíncronos, como cada solicitud entrante en una aplicación de servidor. ^{[ 4 ]}

Los hilos virtuales son preventivos

• Para un buen rendimiento de respuesta, un hilo virtual puede reaccionar a eventos sin la intervención del programador o antes de concluir una tarea en curso.
• La prioridad requiere conocimientos de programación multihilo para evitar escrituras incompletas, condiciones de carrera y escrituras invisibles por parte de otros hilos.

Los hilos virtuales pueden saltar por encima de las unidades de ejecución de todos los procesadores y núcleos.

• Esto permite un mejor aprovechamiento del hardware disponible.
• Go (desde la versión 1.18) utiliza colas de hilos virtuales por unidad de ejecución . Existen hilos virtuales adicionales no asignados a una unidad de ejecución, y una unidad de ejecución puede robar hilos virtuales de otra unidad de ejecución. ^{[ 5 ]}

Los hilos virtuales no requieren ninguna intervención por parte del programador ni de ninguna otra acción similar.

• Los hilos virtuales parecen ejecutarse de forma continua hasta que finalizan su ejecución o se detienen ante un bloqueo de sincronización.
• A diferencia de las corrutinas, si un hilo virtual entra en un bucle infinito, no bloquea el programa. La ejecución continúa con una mayor carga de CPU, incluso si hay más hilos en bucle que unidades de ejecución disponibles.

Los hilos virtuales pueden llegar a ser decenas de millones al presentar pilas pequeñas y a menudo administradas.

• Esto permite utilizar muchísimos más hilos de ejecución de los que serían posibles utilizando los hilos del sistema operativo.
• Go 1.18 puede ejecutar 15 millones de hilos virtuales en un ordenador de consumo de 2021, es decir, unos 350 000 por gigabyte de memoria principal. Esto es posible gracias a que las goroutines tienen una pila redimensionable de menos de 3 KiB.

Los subprocesos virtuales se pueden asignar rápidamente.

• Debido a que la asignación de un hilo virtual supone una sobrecarga mínima con respecto a la asignación de memoria, se pueden asignar muy rápidamente.
• La puesta en marcha más rápida reduce la necesidad de contar con grupos de hilos pre-lanzados para hacer frente a aumentos repentinos del tráfico.

Los hilos virtuales comparten memoria como los hilos del sistema operativo.

• Al igual que los subprocesos del sistema operativo, los subprocesos virtuales comparten memoria entre los procesos y, por lo tanto, pueden compartir y acceder libremente a los objetos de memoria, sujetos a sincronización.
• Algunas arquitecturas de un solo hilo, como el motor V8 ECMAScript utilizado por Node.js, no aceptan fácilmente datos que el hilo en cuestión no haya asignado, lo que requiere el uso de tipos de datos especiales de copia cero al compartir datos entre hilos.

Los hilos virtuales ofrecen paralelismo, al igual que los hilos del sistema operativo.

• El paralelismo implica que varias instrucciones se ejecutan realmente al mismo tiempo, lo que normalmente conlleva un rendimiento mucho más rápido.
• Esto difiere de la concurrencia más simple, en la que una única unidad de ejecución ejecuta múltiples hilos compartidos en pequeños intervalos de tiempo. La división temporal hace que cada hilo parezca ejecutarse continuamente. Si bien la concurrencia es más fácil de implementar y programar, no ofrece ninguna mejora en el rendimiento.

Los servidores Java han incorporado estructuras de software extensas y de alto consumo de memoria que permiten que docenas de subprocesos del sistema operativo, agrupados en un clúster, ejecuten miles de solicitudes por segundo de forma preventiva sin utilizar subprocesos virtuales. La clave del rendimiento reside en reducir la latencia inicial en el procesamiento de subprocesos y minimizar el tiempo de bloqueo de los subprocesos del sistema operativo. ^{[ 6 ]}

Los hilos virtuales aumentan la concurrencia posible en muchos órdenes de magnitud, mientras que el paralelismo real alcanzado está limitado por las unidades de ejecución disponibles y el procesamiento en paralelo que ofrecen los procesadores y núcleos de procesador actuales. En 2021, las computadoras de consumo suelen ofrecer un paralelismo de decenas de unidades de ejecución concurrentes. ^{[ 7 ]} Para aumentar el rendimiento mediante el paralelismo, el entorno de ejecución del lenguaje debe utilizar todo el hardware disponible, ^{[ 8 ]} no ser de un solo hilo o contar con sincronización global como el bloqueo global del intérprete .

El considerable aumento en la cantidad de elementos preemptivos que ofrecen los hilos virtuales se logra mediante la gestión de pilas de hilos redimensionables por parte del entorno de ejecución del lenguaje. ^{[ 9 ]} Estas pilas son de menor tamaño que las de los hilos del sistema operativo. El número máximo de hilos posible sin intercambio es proporcional a la cantidad de memoria principal. ^{[ 10 ]}

Para admitir hilos virtuales de manera eficiente, el entorno de ejecución del lenguaje debe reescribirse en gran medida para evitar que las llamadas bloqueantes retengan un hilo del sistema operativo asignado para ejecutar un hilo virtual ^{[ 11 ]} y para administrar las pilas de hilos. ^{[ 12 ]} Un ejemplo de una adaptación de un entorno de ejecución existente con hilos virtuales es el Proyecto Loom de Java . ^{[ 13 ]} Un ejemplo de un nuevo lenguaje diseñado para hilos virtuales es Go. ^{[ 14 ]}

Debido a que los hilos virtuales ofrecen paralelismo, el programador necesita tener conocimientos de programación multihilo y sincronización.

Dado que un hilo virtual bloqueado bloquearía el hilo del sistema operativo que ocupa en ese momento, se requiere un gran esfuerzo en tiempo de ejecución para gestionar las llamadas al sistema que provocan bloqueos. Normalmente, se utiliza un hilo de un grupo de hilos del sistema operativo disponibles para ejecutar la llamada que provoca el bloqueo del hilo virtual, de modo que el hilo del sistema operativo que se está ejecutando inicialmente no se bloquee.

La gestión de la pila de hilos virtuales requiere cuidado en el enlazador y predicciones breves de los requisitos de espacio adicional en la pila.

Intel ^{[ 18 ]} en 2007 se refirió a una técnica de optimización específica del compilador de Intel como hilos virtuales.

• Async/await
• Proceso ligero
• Corutina
• Bloqueo del intérprete global
• Fibra (informática)
• Hilos portátiles de GNU
• Protohilos

• Paralelismo virtual masivo Programa Go que prueba los límites de los hilos virtuales