Voir la source de Thread (informatique)

{{Titre mis en forme|''{{langue|en|Thread}}'' (informatique)}}
{{Voir homonymes|Thread|Fil}}
[[Fichier:Multithreaded process.svg|thumb|Un processus avec deux ''{{Langue|en|threads}}''.]]

Un {{Langue|en|'''''thread'''''}} ou '''fil''' (traduction normalisés par [[Système de gestion de la sécurité de l'information|ISO/CEI]] 2382-7:2000<ref name="iso.org">{{Lien web |langue=fr |titre=ISO/IEC 2382:2015(fr)
Technologies de l'information — Vocabulaire |site=iso.org |url=https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-iec:2382:ed-1:v2:fr |consulté le=2023-02-28}}</ref> (autres appellations connues : '''processus léger''', '''fil d'exécution''', '''fil d'instruction''', '''processus allégé''', '''sous-processus'''<ref name=":0" />, '''filet d'exécution'''<ref name="morvan">Larousse référence: dictionnaire de l'informatique, sous la direction de Pierre Morvan, 1996</ref>, '''exétron'''<ref name=":0">{{Lien web |langue=en |titre=Programmer avec Rust[Book] |url=https://www.oreilly.com/library/view/programmer-avec-rust/9782412046593/ |site=www.oreilly.com |consulté le=2024-09-12 |page=40}}</ref>, '''tâche'''{{refnec}}, voire '''unité d'exécution'''<ref>{{Ouvrage|prénom1=Gérard|nom1=Laurent|titre=Techniques audiovisuelles et multimédias - 3e éd. : T2 : Systèmes micro-informatiques et réseaux, diffusion, distribution, réception|éditeur=[[Éditions Dunod|Dunod]]|date=13 juin 2012|isbn=|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=PQUGb_K40W0C&pg=PA54&dq=%22unit%C3%A9+d%E2%80%99ex%C3%A9cution%22}}</ref> ou '''unité de traitement'''<ref>{{Ouvrage|prénom1=Gérard|nom1=Leblanc|titre=C# et .NET|sous-titre=Version 1 à 4|éditeur=[[Eyrolles|Editions Eyrolles]]|date=7 juillet 2011|isbn=|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=TdRM4_Qo8aUC&pg=PA322&dq=%22unit%C3%A9+de+traitement%22+thread}}</ref>{{,}}<ref>Programmation Linux en pratique, Arnold Robbins, CampusPress Référence, {{ISBN|2-7440-1979-8}}, {{p.|54}}.</ref>{{refnec}}<!-- Source ? Le Grand dictionnaire terminologique de l'OQLF et Termium (banque de terminologie du bureau de la traduction du gouvernement canadien) ne reconnaissent que ''fil'' -->) est similaire à un [[Processus (informatique)|processus]] car tous deux représentent l'exécution d'un ensemble d'[[Instruction-machine|instructions]] du [[langage machine]] d'un [[processeur]].

Du point de vue de l'utilisateur, ces exécutions semblent se dérouler en [[Parallélisme (informatique)|parallèle]]. Toutefois, là où chaque processus possède sa propre [[mémoire virtuelle]], les ''{{Langue|en|threads}}'' d'un même processus se partagent sa mémoire virtuelle. En revanche, tous les ''{{Langue|en|threads}}'' possèdent leur propre [[pile d'exécution]].

== Utilisations ==
Les ''{{Langue|en|threads}}'' sont utilisés avec l'[[interface graphique]] (''Graphical user interface'') d'un [[Programme informatique|programme]]. Les interactions de l'utilisateur avec le processus, par l'intermédiaire des [[Périphérique (informatique)|périphériques]] d'entrée, sont gérées par un ''{{Langue|en|thread}}'', technique similaire à celle utilisée pour les attentes asynchrones, tandis que les calculs lourds (en termes de temps de calcul) sont gérés par un ou plusieurs autres ''{{Langue|en|threads}}''. Cette technique de [[conception de logiciel]] est avantageuse dans ce cas, car l'utilisateur peut continuer d'interagir avec le programme même lorsque celui-ci est en train d'exécuter une [[Tâche (informatique)|tâche]]. Une application pratique se retrouve dans les traitements de texte où la correction orthographique est exécutée tout en permettant à l'utilisateur de continuer à entrer son texte. L'utilisation des ''{{Langue|en|threads}}'' permet donc de rendre l'utilisation d'une application plus fluide, car il n'y a plus de blocage durant les phases de traitements intenses.

Les threads sont utilisés dans des [[Programme informatique|programmes]] de calcul intensif (comme l'[[Codage des caractères|encodage]] d'une vidéo, les simulations mathématiques, etc.). L'utilisation de plusieurs ''{{Langue|en|threads}}'' permet de [[Parallélisme_(informatique)|paralléliser]] le traitement, ce qui, sur les machines [[multiprocesseur]], permet de l'effectuer plus rapidement.

Les threads sont aussi utilisés pour des attentes [[Asynchronisme#En_informatique|asynchrones]] dans les [[télécommunications]] 

== ''{{Langue|en|Threads}}'' et multitâche ==
Deux processus sont totalement indépendants et isolés l'un de l'autre. Ils ne peuvent interagir qu'à travers une [[Interface de programmation|API]] fournie par le système, telle qu'[[Communication inter-processus|IPC]]. A l'inverse, les ''{{Langue|en|threads}}'' partagent une information sur l'état du processus, des zones de mémoires, ainsi que d'autres ressources. En fait, à part leur [[Pile d'exécution|pile d’appel]], des mécanismes comme le ''[[Thread Local Storage]]'' et quelques rares exceptions spécifiques à chaque implémentation, les ''{{Langue|en|threads}}'' partagent tout.
Puisqu'il n'y a pas de changement de [[mémoire virtuelle]], la [[commutation de contexte]] ({{lang|en|''context switch''}}) entre deux ''{{Langue|en|threads}}'' est moins coûteuse en temps que la commutation de contexte entre deux processus. On peut y voir un avantage de la programmation utilisant des ''{{Langue|en|threads}}'' multiples.

== Avantages et inconvénients ==
Dans certains cas, les programmes utilisant des ''{{Langue|en|threads}}'' sont plus rapides que des [[Programmation séquentielle|programmes séquentiels]], en particulier sur les [[Multiprocesseur|machines comportant plusieurs processeurs]]. Hormis le problème du coût de la [[commutation de contexte]], le principal surcoût dû à l'utilisation de processus multiples provient de la communication entre processus séparés. En effet, le partage de ressources entre ''{{Langue|en|threads}}'' permet une communication plus efficace entre les différents ''{{Langue|en|threads}}'' d'un processus qu'entre deux processus distincts. Là où deux processus séparés doivent utiliser un mécanisme fourni par le système pour communiquer, les ''{{Langue|en|threads}}'' partagent une partie de l'état du processus, notamment sa mémoire. Dans le cas de données en lecture seule, il n'y a même pas besoin du moindre mécanisme de [[synchronisation (multitâches)|synchronisation]] pour que les ''{{Langue|en|threads}}'' utilisent les mêmes données.

La [[programmation]] utilisant des ''{{Langue|en|threads}}'' est toutefois plus rigoureuse que la [[programmation séquentielle]], et l'accès à certaines ressources partagées doit être restreint par le programme lui-même, pour éviter que l'état d'un processus ne devienne temporairement incohérent, tandis qu'un autre ''{{Langue|en|thread}}'' va avoir besoin de consulter cette portion de l'état du processus. Il est donc obligatoire de mettre en place des mécanismes de [[Synchronisation (multitâches)|synchronisation]] (à l'aide de [[Sémaphore (informatique)|sémaphores]], par exemple), tout en conservant à l'esprit que l'utilisation de la synchronisation peut aboutir à des situations d'[[interblocage]] si elle est mal utilisée.

La complexité des programmes utilisant des ''{{Langue|en|threads}}'' est aussi nettement plus grande que celle des programmes déférant '''séquentiellement''' le travail à faire à plusieurs processus plus simples (la complexité est similaire dans le cas de plusieurs processus travaillant en parallèle). Cette complexité accrue, lorsqu'elle est mal gérée lors de la phase de [[Conception de logiciel|conception]] ou de [[mise en œuvre]] d'un programme, peut conduire à de multiples problèmes tels que :
* interblocages apparemment aléatoires :
** si un algorithme est mal conçu et permet un interblocage, le changement de vitesse du processeur, par l'utilisation incomplète d'un quantum de temps alloué ou au contraire de la nécessité d'utiliser un quantum supplémentaire, peut provoquer la situation d'interblocage ;
** de même, des périphériques plus ou moins rapides que ceux de la machine ayant servi à développer/tester le programme induisent des synchronisations temporellement différentes, et donc peuvent provoquer un interblocage non détecté auparavant ;
** enfin, le changement de charge processeur de la machine (un programme lourd tournant en parallèle, par exemple) peut là aussi déclencher plus facilement des interblocages qui n'avaient pas été vus auparavant, avec l'illusion d'un phénomène aléatoire.
* complexification inutile de certains algorithmes, qui ne bénéficient pas de la parallélisation du code mais qui sont pénalisés par des synchronisations d'accès aux ressources partagées :
** sur-parallélisation du code alors qu'un traitement séquentiel serait plus adapté, la perte de temps liée à la commutation de contexte n'étant pas compensée par la parallélisation ;
** Introduction de [[Variable globale|variables globales]], forçant l'utilisation de synchronisation à outrance et donc des commutations de contexte inutiles.
* sur-utilisation des mécanismes de synchronisation inadaptés là où ils ne sont pas nécessaires, induisant un surcoût de temps processeur inutile :
** la mise en œuvre d'un [[tube (informatique)|pipeline]] [[First in, first out|FIFO]] entre deux ''{{Langue|en|threads}}'' seulement peut être effectuée facilement sans aucun [[Exclusion mutuelle|mutex]] ;
** utilisation d'une [[section critique]] au lieu d'un [[Problème des lecteurs et des rédacteurs|mutex lecteurs/rédacteur]], par exemple lorsque beaucoup de ''{{Langue|en|threads}}'' lisent une donnée tandis que peu écrivent dedans ou qu'une donnée est plus souvent lue qu'écrite.

== Support des ''{{Langue|en|threads}}'' ==
=== Systèmes d'exploitation ===
Les [[Système d'exploitation|systèmes d'exploitation]] mettent généralement en œuvre les ''{{Langue|en|threads}}'', souvent appelés ''{{Langue|en|threads}} système'' ou ''{{Langue|en|threads}} natifs'' (par opposition aux ''{{Langue|en|threads}}'' liés à un [[langage de programmation]] donné). Ils sont utilisés au travers d'une [[Interface de programmation|API]] propre au système d'exploitation, par exemple [[Windows API]] ou les [[Threads POSIX]]. En général, cette API n'est pas orientée objet, et peut être relativement complexe à bien mettre en œuvre car composée uniquement de [[Fonction primitive|fonctions primitives]], ce qui demande souvent à avoir quelques notions sur le fonctionnement de l'[[Ordonnancement dans les systèmes d'exploitation|ordonnanceur]].

L'avantage des ''{{Langue|en|threads}}'' natifs est qu'ils permettent des performances maximales, car leur API permet de minimiser le temps passé dans le [[Noyau de système d'exploitation|noyau]] et d'éliminer les couches logicielles inutiles. Leur principal inconvénient est, de par la nature primitive de l'API, une plus grande complexité de mise en œuvre.

=== Langages de programmation ===
Certains [[Langage de programmation|langages de programmation]], tels que [[Smalltalk]] et certaines implémentations de [[Langage de programmation Java|Java]]<ref>{{en}} [http://java.sun.com/docs/books/jni/html/other.html#29406 « ''{{Langue|en|Matching the Thread Models}}'' »] (éléments sur le support des ''{{Langue|en|threads}}'' sur le site officiel Sun)</ref>{{,}}<ref>{{en}} [http://www.javaworld.com/javaworld/jw-09-1998/jw-09-threads.html « ''{{Langue|en|Programming Java threads in the real world}}'' »] (guide d'utilisation des ''{{Langue|en|threads}}'' sous Java sur le site JavaWorld).</ref>{{,}}<ref>{{en}} [http://java.sun.com/developer/technicalArticles/Programming/linux/ « ''{{Langue|en|Java Technology on the Linux Platform}}'' »] (annonce sur le site officiel {{Langue|en|Sun}} d'abandon des ''{{Langue|en|green threads}}'' sur Linux).</ref>{{,}}<ref>{{en}} [http://java.sun.com/docs/hotspot/threads/threads.html « ''{{Langue|en|Java and Solaris threading}}'' »] (documentation officielle {{Langue|en|Sun}} sur le modèle de ''{{Langue|en|threading}}'' sur Solaris).</ref>, intègrent un support pour les ''{{Langue|en|threads}}'' implémentés dans [[Espace utilisateur|l'espace utilisateur]] (''{{Lien|green threads|lang=en}}''), indépendamment des capacités du système d'exploitation hôte.

La plupart des langages ([[Langage de programmation Java|Java]] sur la plupart des systèmes d'exploitation, [[C Sharp|C# .NET]], [[C++]], [[Ruby]]…) utilisent des extensions du langage ou des [[bibliothèque logicielle|bibliothèques]] pour utiliser directement les services de [[multithreading]] du système d'exploitation, mais de façon portable. Enfin, des langages comme [[Haskell]] utilisent un système hybride à mi-chemin entre les deux approches. À noter que, pour des raisons de performances en fonction des besoins, la plupart des langages permettent d'utiliser au choix des ''{{Langue|en|threads}} natifs'' ou des ''{{Langue|en|green threads}}'' (notamment via l'utilisation de [[Fibre (informatique)|fibres]]). D'autres langages, comme [[Ada (langage)]], implémentent également un [[multitâche]] indépendant du système d'exploitation sans pour autant utiliser réellement le concept de ''{{Langue|en|thread}}''.

Le C++, depuis la norme nommée [[C++11]], possède aussi une bibliothèque standard de gestion des ''{{Langue|en|threads}}'' (inspirée de [[Boost (bibliothèques)|Boost]]) : le modèle de classe est <code>std::thread</code>. Celui-ci est simple d'utilisation, et permet de bien créer et exécuter ses ''{{Langue|en|threads}}''. Auparavant, chaque [[framework]] devait implémenter sa propre surcouche de gestion des ''{{Langue|en|threads}}'', en général câblée directement sur les ''{{Langue|en|threads}}'' natifs du système.

=== Paradigmes de programmation ===
{{Article détaillé|Paradigme (programmation)}}

==== Programmation parallèle ====
En programmation parallèle, le principe de base est d'assurer la [[réentrance]] des entités logicielles utilisées par les ''{{Langue|en|threads}}'', soit par conception ([[Fonction pure|fonctions pures]]), soit par [[Synchronisation (multitâches)|synchronisation]] (notamment par l'utilisation d'un [[Exclusion mutuelle|mutex]] encadrant l'appel à la fonction).

==== Programmation procédurale ====
En [[programmation procédurale]], on utilise le plus souvent directement les ''{{Langue|en|threads}}'' natifs du système d'exploitation. Leur utilisation est alors directement dépendante de l'API du système, avec ses avantages et inconvénients. Notamment, les fonctions utilisées par les ''{{Langue|en|threads}}'' doivent être réentrantes ou protégées par mutex.

==== Programmation orientée objet ====
En [[programmation orientée objet]], l'utilisation des ''{{Langue|en|threads}}'' se fait en général par [[héritage (informatique)|héritage]] depuis une [[Classe (informatique)|classe]] mère (ou modèle de classe) générique, possédant une [[Fonction virtuelle|méthode virtuelle pure]] qui contiendra le code à exécuter en parallèle. Il faut et il suffit alors d'écrire la classe dérivée implémentant ce que l'on veut paralléliser, de l'[[Instance (programmation)|instancier]] et d'appeler une [[méthode (informatique)|méthode]] particulière (souvent nommée ''{{Langue|en|Run}}'' ou équivalent) pour démarrer le ''{{Langue|en|thread}}''. Des méthodes d'arrêt ou d'attente de fin de tâche sont également présentes, simplifiant fortement la création de ''{{Langue|en|threads}}'' simples. Toutefois, des opérations plus complexes ([[Barrière de synchronisation|barrière]] sur un nombre important de ''{{Langue|en|threads}}'', réglages précis de [[priorité (informatique)|priorité]], etc.) peuvent être moins faciles qu'avec l'utilisation des ''{{Langue|en|threads}}'' natifs.

On parle de ''classe réentrante'' lorsque des instances distinctes d'une telle classe peuvent être chacune utilisées par des ''{{Langue|en|threads}}'' sans [[effet de bord (informatique)|effet de bord]], ce qui signifie en général une absence d'[[Variable globale|élément global]] ou [[statique]] dans l'implémentation de la classe. On parle aussi de ''classe {{Langue|en|thread-safe}}'' lorsque plusieurs ''{{Langue|en|threads}}'' peuvent utiliser une seule et même instance de cette classe sans engendrer de problèmes de concurrence. Une classe ''{{Langue|en|thread-safe}}'' est forcément réentrante, mais la réciproque est fausse.

==== Programmation fonctionnelle ====
Par nature, comme tout élément en [[programmation fonctionnelle]] est réentrant - et souvent ''{{Langue|en|thread-safe}}'' - à quelques rares exceptions près, la mise en œuvre des ''{{Langue|en|threads}}'' est fortement simplifiée par ce paradigme. En général, la parallélisation du code ne dépend que des [[Programmation par contrat|contrats]] et des séquences d'appel : <math>f(g(x))</math> requiert bien entendu de calculer <math>y=g(x)</math> avant <math>f(y)</math>, ce qui empêche de paralléliser les deux fonctions. Mais ces contraintes ne sont pas spécifiques à la programmation fonctionnelle, elles sont inhérentes à l'algorithme implémenté.

== Patrons de conception (''{{Langue|en|design patterns}}'') classiques avec les ''{{Langue|en|threads}}'' ==
Beaucoup de [[Patron de conception|patrons de conception]] (''{{Langue|en|patterns}}'') peuvent bénéficier des ''{{Langue|en|threads}}'', comme ''{{Langue|en|Decorator}}'', ''{{Langue|en|Factory Method}}'', ''{{Langue|en|Command}}'' ou encore ''{{Langue|en|Proxy}}''. De manière générale, toute passation d'information à une entité logicielle d'un ''{{Langue|en|pattern}}'' peut faire l'objet de l'utilisation de ''{{Langue|en|threads}}''.

Parmi les autres exemples classiques, on trouve :
* les modèles [[maître-esclave]] et [[client-serveur]] :
** un ''{{Langue|en|thread}}'' « maître » centralise le travail à faire et le distribue aux ''{{Langue|en|threads}}'' « esclaves », collectant ensuite leurs résultats ;
** un [[pool (informatique)|pool]] de ''{{Langue|en|threads}}'' (le ''{{Langue|en|pool}}'' étant statique ou dynamique) permet d'interroger plusieurs [[serveur informatique|serveurs]] sans bloquer le client ;
** le [[Pair à pair]] (''{{Langue|en|Peer-to-peer}}'') est un modèle similaire au maître-esclave, mais où le ''{{Langue|en|thread}}'' maître n'est pas figé (chaque ''{{Langue|en|thread}}'' est le maître de tous les autres, tout en étant esclave lui-même).
* un ''[[tube (informatique)|pipeline]]'' (« tube ») :
** la tâche est découpée en diverses étapes successives et/ou opérations unitaires. Chaque ''{{Langue|en|thread}}'' réalise une des étapes et passe son résultat au suivant ;
** plusieurs pipelines peuvent coexister afin d'accélérer encore le traitement ;
** des traitements comme la [[Compilateur|compilation]], le [[streaming]], le traitement [[multimédia]] (décodage de vidéos par exemple) bénéficient fortement d'une implémentation utilisant des ''{{Langue|en|threads}}''.

== Confusion possible ==
Il ne faut pas confondre la technologie {{Langue|en|''[[Hyper-Threading]]''}} de certains processeurs [[Intel]] avec les ''{{Langue|en|threads}}''. Cette technologie permet en effet aussi bien l'exécution simultanée de processus distincts que de ''{{Langue|en|threads}}''. Toute machine comportant des [[Processeur|processeurs]] multiples ([[Symmetric multiprocessing|SMP]]) ou des processeurs intégrant l’{{Langue|en|Hyper-Threading}} permet aussi bien l'exécution plus rapide de programmes utilisant des ''{{Langue|en|threads}}'' que de multiples processus.

== Voir aussi ==
{{Autres projets
|commons = Category:Threads (computing)
|wikibooks = Catégorie:Threads
|wiktionary = thread
}}

=== Articles connexes ===
* [[Fibre (informatique)]]

=== Liens externes ===
* {{fr}} [http://perso.numericable.fr/~pdeiberale69/patrick.deiber/pub/processus-leger.pdf Les ''{{Langue|en|threads}}'']
* {{en}} [http://code.google.com/p/easythread/ Easythread bibliothèque C++ avec un exemple de fonctionnement simple des ''{{Langue|en|threads}}'']

== Références ==
<references />

{{Palette|Synchronisation en informatique|Programme informatique|Noyaux de systèmes d'exploitation}}
{{Portail|informatique|programmation informatique}}

[[Catégorie:Programmation concurrente]]
[[Catégorie:Ordonnanceur]]