Konsep Thread
Apa itu Thread

Thread adalah unit dasar dari penggunaan CPU, thread mengandung Thread ID, program counter , register set , dan stack . Sebuah Thread berbagi code section , data section , dan sumber daya sistem operasi dengan Thread lain yang dimiliki oleh proses yang sama. Thread juga sering disebut lightweight process . Sebuah proses tradisional atau heavyweight process mempunyai thread tunggal yang berfungsi sebagai pengendali.



Perbedaan antara proses dengan thread tunggal dengan proses dengan thread yang banyak adalah proses dengan thread yang banyak dapat mengerjakan lebih dari satu tugas pada satu satuan waktu

Banyak software yang berjalan pada PC modern didesain secara multithreading . Sebuah aplikasi biasanya diimplementasi sebagai proses yang terpisah dengan beberapa thread yang berfungsi sebagai pengendali. Contohnya sebuah web browser mempunyai thread untuk menampilkan gambar atau tulisan sedangkan thread yang lain berfungsi sebagai penerima data dari network.

Kadang kala ada situasi dimana sebuah aplikasi diperlukan untuk menjalankan beberapa tugas yang serupa. Sebagai contohnya sebuah web server bisa mempunyai ratusan klien yang mengaksesnya secara concurrent . Kalau web server berjalan sebagai proses yang hanya mempunyai thread tunggal maka ia hanya bisa melayani satu klien pada pada satu satuan waktu. Bila ada klien lain yang ingin mengajukan permintaan maka ia harus menunggu sampai klien sebelumnya selesai dilayani. Solusinya adalah dengan membuat web server menjadi multithreading . Dengan ini maka sebuah web server akan membuat thread yang akan mendengar permintaan klien, ketika permintaan lain diajukan maka web server akan menciptakan thread lain yang akan melayani permintaan tersebut.

Java mempunyai pengunaan lain dari thread. Perlu dikeahui bahwa java tidak mempunyai konsep asynchronous . Sebagai contohnya kalau program java mencoba untuk melakukan koneksi ke server maka ia akan berada dalam keadaan block state sampai koneksinya jadi ( bisa dibayangkan apa yang terjadi apabila servernya mati ). Karena java tidak memiliki konsep asynchronous maka solusinya adalah dengan membuat thread yang mencoba untuk melakukan koneksi ke server dan thread lain yang pertamanya tidur selamabeberap waktu ( misalnya 60 detik ) kemudian bangun. Ketika waktu tidurnya habis maka ia akan bangun dan memeriksa apakah thread yang melakukan koneksi ke server masih mencoba untuk melakukan koneksi ke server, kalau thread tersebut masih dalam keadaan mencoba untuk melakukan koneksi ke server maka ia akan melakukan interrupt dan mencegah thread tersebut untuk mencoba melakukan koneksi ke server.
Keuntungan Thread

Keuntungan dari program yang multithrading dapat dipisah menjadi empat kategori :

1.

Responsi : Membuat aplikasi yang interaktif menjadi multithreading dapat membuat sebuah program terus berjalan meskipun sebagian dari program tersebut diblok atau melakukan operasi yang panjang, karena itu dapat meningkatkan respons kepada pengguna. Sebagai contohnya dalam web browser yang multithreading , sebuah thread dapat melayani permintaan pengguna sementara thread lain berusaha menampilkan image.
2.

Berbagi sumber daya : thread berbagi memori dan sumber daya dengan thread lain yang dimiliki oleh proses yang sama. Keuntungan dari berbagi kode adalah mengijinkan sebuah aplikasi untuk mempunyai beberapa thread yang berbeda dalam lokasi memori yang sama.
3.

Ekonomi : dalam pembuatan sebuah proses banyak dibutuhkan pengalokasian memori dan sumber daya. Alternatifnya adalah dengan penggunaan thread, karena thread berbagi memori dan sumber daya proses yang memilikinya maka akan lebih ekonomis untuk membuat dan context switch thread. Akan susah untuk mengukur perbedaan waktu antara proses dan thread dalam hal pembuatan dan pengaturan, tetapi secara umum pembuatan dan pengaturan proses lebih lama dibandingkan thread. Pada Solaris, pembuatan proses lebih lama 30 kali dibandingkan pembuatan thread, dan context switch proses 5 kali lebih lama dibandingkan context switch thread.
4.

Utilisasi arsitektur multiprocessor : Keuntungan dari multithreading bisa sangat meningkat pada arsitektur multiprocessor , dimana setiap thread dapat berjalan secara pararel di atas processor yang berbeda. Pada arsitektur processor tunggal, CPU menjalankan setiap thread secara bergantian tetapi hal ini berlangsung sangat cepat sehingga menciptakan ilusi pararel, tetapi pada kenyataannya hanya satu thread yang dijalankan CPU pada satu-satuan waktu( satu -satuan waktu pada CPU biasa disebut time slice atau quantum ).

User dan Kernel Threads
User Thread

User thread didukung diatas kernel dan diimplementasi oleh thread library pada user level. Library meneyediakan fasilitas untuk pembuatan thread, penjadwalan thread, dan manajemen thread tanpa dukungan dari kernel. Karena kernel tidak menyadari user-level thread maka semua pembuatan dan penjadwalan thread dilakukan di user space tanpa intervensi dari kernel. Oleh karena itu, user -level thread biasanya cepat untuk dibuat dan diatur. Tetapi user thread mempunyai kelemahan yaitu apabila kernelnya merupakan thread tunggal maka apabila salah satu user-level thread menjalankan blocking system call maka akan mengakibatkan seluruh proses diblok walaupun ada thread lain yang bisa jalan dalam aplikasi tersebut. Contoh user-thread libraries adalah POSIX Pthreads, Mach C-threads, dan Solaris threads.
Kernel Thread

Kernel thread didukung langsung oleh sistem operasi. Pembuatan, penjadwalan, dan manajeman thread dilakukan oleh kernel pada kernel space . Karena pengaturan thread dilakukan oleh sistem operasi maka pembuatan dan pengaturan kernel thread lebih lambat dibandingkan user thread. Keuntungannya adalah thread diatur oleh kernel, karena itu jika sebuah thread menjalankan blocking system call maka kernel bisa menjadwalkan thread lain di aplikasi untuk melakukan eksekusi. Keuntungan lainnya adalah pada lingkungan multiprocessor , kernel bisa menjadwal thread-thread pada processor yang berbeda. Contoh sistem operasi yang mendukung kernel thread adalah Windows NT, Solaris, Digital UNIX.
Multithreading Models
Many-to-One Model

Many-to-One model memetakan banyak user-level thread ke saru kernel thread. Pengaturan thread dilakukan di user space, oleh karena itu ia efisien tetapi ia mempunyai kelemahan yang sama dengan user thread. Selain itu karena hanya satu thread yang bisa mengakses thread pada suatu waktu maka multiple thread tidak bisa berjalan secara pararel pada multiprocessor . User-level thread yang diimplementasi pada sistem operasi yang tidak mendukung kernel thread menggunakan Many-to-One model.

One-to-One Model

One-to-One model memetakan setiap user thread ke kernel thread. Ia menyediakan lebih banyak concurrency dibandingkan Many-to-One model. Keuntungannya sama dengan keuntungan kernel thread. Kelemahannya model ini adalah setiap pembuatan user thread membutuhkan pembuatan kernel thread. Karena pembuatan thread bisa menurunkan performa dari sebuah aplikasi maka implmentasi dari model ini membatasi jumlah thread yang dibatasi oleh sistem. Contoh sistem operasi yang mendukung One-to-One model adalah Windows NT dan OS/2.

Many-to-Many Model

Many-to-many model multiplexes banyak user-level thread ke kernel thread yang jumlahnya lebih kecil atau sama banyaknya dengan user-level thread. Jumlah kernel thread bisa spesifik untuk sebagian aplikasi atau sebagian mesin. Many-to-One model mengijinkan developer ntuk membuat user thread sebanyak yang ia mau tetapi concurrency tidak dapat diperoleh karena hanya satu thread yang bisa dijadwal oleh kernel pada suatu waktu. One-to-One menghasilkan concurrency yang lebih tetapi developer harus hati-hati untuk tidak menciptakan terlalu banyak thread dalam suatu aplikasi( dalam beberapa hal, developer hanya bisa membuat thread dalam jumlah yang terbatas ). Many-to-Many model tidak menderita kelemahan dari 2 model di atas. Developer bisa membuat user thread sebanyak yang diperlukan, dan kernel thread yang bersangkutan bisa bejalan secara pararel pada multiprocessor . Dan juga ketika suatu thread menjalankan blocking system call maka kernel dapat menjadwalkan thread lain untuk melakukan eksekusi. Contoh sistem operasi yang mendukung model ini adalah Solaris, IRIX, dan Digital UNIX

Fork dan exec System Call

Ada 2 kemungkinan dalam system UNIX jika fork dipanggil oleh salah satu thread dalam proses:

1.

Semua thread diduplikasi.
2.

Hanya thread yang memanggil fork .

Kalau thread memanggil exec System Call maka program yang dispesifikasi di parameter exec akan mengganti keseluruhan proses termasuk thread dan LWP.

Penggunaan 2 versi dari fork diatas tergantung dari aplikasi. Kalau exec dipanggil seketika sesudah fork, maka duplikasi seluruh thread tidak dibutuhkan, karena program yang dispesifikasi di parameter exec akan mengganti seluruh proses. Pada kasus ini cukup hanya mengganti thread yang memanggil fork . Tetapi jika proses yang terpisah tidak memanggil exec sesudah fork maka proses yang terpisah tersebut hendaknya menduplikasi seluruh 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 .
Penanganan Sinyal

Sebuah sinyal digunakan di sistem UNIX untuk notify sebuah proses kalau suatu peristiwa telah terjadi. Sebuah sinyal bisa diterima secara synchronous atau asynchronous tergantung dari sumber dan alasan kenapa peristiwa itu memberi sinyal.

Semua sinyal( asynchronous dan synchronous ) mengikuti pola yang sama :

1.

Sebuah sinyal dimunculkan oleh kejadian dari suatu persitiwa.
2.

Sinyal yang dimunculkan tersebut dikirim ke proses.
3.

Sesudah dikirim, sinyal tersebut harus ditangani.

Contoh dari sinyal synchronous adalah ketika suatu proses melakukan pengaksesan memori secarai ilegal atau pembagian dengan nol, sinyal dimunculkan dan dikirim ke proses yang melakukan operasi tersebut. Contoh dari sinyal asynchronous misalnya kita mengirimkan sinyal untuk mematikan proses dengan keyboard( alt-f4 ) maka sinyal asynchronous dikirim ke proses tersebut. Jadi ketika suatu sinyal dimunculkan oleh peristiwa diluar proses yang sedang berjalan maka proses tersebut menerima sinyal tersebut secara asynchronous .

Setiap sinyal bisa ditangani oleh salah satu dari 2 penerima sinyal :

1.

Penerima sinyal yang merupakan set awal dari sistem operasi.
2.

Penerima sinyal yang didefinisikan sendiri ole user.

Penanganan sinyal pada program yang hanya memakai thread tunggal cukup mudah yaitu hanya dengan mengrimkan sinyal ke prosesnya. Tetapi mengirimkan sinyal lebih rumit pada program yang multithreading , karena sebuah proses bisa memiliki beberapa thread.

Secara umum ada 4 pilihan kemana sinyal harus dikirim :

1.

Mengirimkan sinyal ke thread yang dituju oleh sinyal tersebut.
2.

Mengirimkan sinyal ke setiap thread pada proses tersebut.
3.

Mengirimkan sinyal ke thread tertentu dalam proses.
4.

4. Menugaskan thread khusus untuk menerima semua sinyal yang ditujukan pada proses.

Cara untuk mengirimkan sebuah sinyal tergantung dari tipe sinyal yang dimunculkan. Sebagai contoh sinyal synchronous perlu dikirimkan ke thread yang memunculkan sinyal tersebut bukan thread lain pada proses tersebut. Tetapi situasi dengan sinyal asynchronous menjadi tidak jelas. Beberapa sinyal asynchronous seperti sinyal yang berfungsi untuk mematikan proses ( contoh : alt-f4 ) harus dikirim ke semua thread. Beberapa versi UNIX yang multithreading mengijinkan thread menerima sinyal yang akan ia terima dan menolak sinyal yang akan ia tolak. Karena itu sinyal asynchronouns hanya dikirimkan ke thread yang tidak memblok sinyal tersebut. Solaris 2 mengimplementasikan pilihan ke-4 untuk menangani sinyal. Windows 2000 tidak menyediakan fasilitas untuk mendukung sinyal, sebagai gantinya Windows 2000 menggunakan asynchronous procedure calls( APCs ) . Fasilitas APC memperbolehkan user thread untuk memanggil fungsi tertentu ketika user thread menerima notifikasi peristiwa tertentu.
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 .
Hal-Hal Lainnya dari Thread
Thread-Specific Data

Thread yang dimiliki oleh suatu proses memang berbagi data tetapi setiap thread mungkin membutuhkan duplikat dari data tertentu untuk dirinya sendiri dalam keadaan tertentu. Data ini disebut thread -specific data.
Pthreads

Pthreads merujuk kepada POSIX standard( IEEE 1003.1 c ) mendefinisikan sebuah API untuk pembuatan thread dan sinkronisasi. Pthreads adalah spesifikasi untuk thread dan bukan merupakan suatu implementasi. Desainer sistem operasi boleh mengimplementasikan spesifikasi tersebut dalam berbagai cara yang mereka inginkan. Secara umum Libraries yang mengimplementasikan Pthreads dilarang pada sistem berbasis UNIX seperti Solaris 2. Sistem operasi Windows secara umum belum mendukung Pthreads, walaupun versi shareware -nya sudah ada di domain publik.