Threading (CHAPTER 4) /থ্রেডিং

 থ্রেডিং (Threading) 

পরিচিতি

থ্রেডিং হল একটি প্রক্রিয়ার অন্তর্গত সবচেয়ে ছোট কার্যকরী একক। এটি একটি লাইটওয়েট প্রক্রিয়া যা একই প্রক্রিয়ার মধ্যে বিভিন্ন কাজ করতে সক্ষম। থ্রেডিং-এর সাহায্যে একাধিক কাজ সমান্তরালভাবে করা যায়, ফলে প্রোগ্রামের কার্যক্ষমতা এবং প্রতিক্রিয়া সময় বৃদ্ধি পায়।

থ্রেডের বৈশিষ্ট্য

1.   লাইটওয়েট: থ্রেডগুলি সাধারণত একে অপরের তুলনায় কম ওজনের হয়। এরা একই প্রক্রিয়ার অংশ হওয়ায় তাদের জন্য আলাদা স্ট্যাক স্পেস প্রয়োজন হয় না।

2.   সম্প্রদায়ের শেয়ার: একাধিক থ্রেড একই মেমরি স্পেস ব্যবহার করে, যা তথ্য আদান-প্রদানে সহজতা করে।

3.   সঞ্চালনের সমান্তরালতা: থ্রেডিংয়ের মাধ্যমে একাধিক থ্রেড একই সময়ে চলতে পারে, যা সিস্টেমের কর্মক্ষমতা বাড়ায়।

থ্রেডের প্রকার

1.   কর্মকারী থ্রেড: এই থ্রেডগুলি ব্যবহারকারীর কাজের জন্য প্রস্তুত থাকে।

2.   ব্যাকগ্রাউন্ড থ্রেড: এই থ্রেডগুলি ব্যাকগ্রাউন্ডে কাজ করে এবং প্রধান কাজ সম্পূর্ণ না হওয়া পর্যন্ত চলতে থাকে।

থ্রেড মডেল

থ্রেডিংয়ের বিভিন্ন মডেল রয়েছে, যেমন:

• একক থ্রেড মডেল: যেখানে একটি মাত্র থ্রেড কাজ করে।
• মাল্টি-থ্রেড মডেল: যেখানে একাধিক থ্রেড সমান্তরালভাবে কাজ করে।

থ্রেডের সুবিধা

1.   সুক্ষ্ম প্রতিক্রিয়া: ব্যবহারকারী ইন্টারফেসে দ্রুত প্রতিক্রিয়া পাওয়া যায়।

2.   সম্পদ ব্যবস্থাপনা: মেমরি এবং CPU ব্যবহার দক্ষতা বাড়ায়।

3.   কার্যকারিতা বৃদ্ধি: একাধিক কাজ সমান্তরালভাবে করতে পারে, যা কর্মক্ষমতা বাড়ায়।

থ্রেডের সমস্যা

1.   সিঙ্ক্রোনাইজেশন: একাধিক থ্রেড একই সময়ে একটি নির্দিষ্ট সম্পদ ব্যবহার করার চেষ্টা করলে ডেটা ক্ষতি বা অসঙ্গতি ঘটতে পারে।

2.   ডেডলক: যখন একাধিক থ্রেড একে অপরের জন্য অপেক্ষা করে এবং কোন থ্রেডই এগোতে পারে না।

3.   ডিবাগিং জটিলতা: থ্রেডিংয়ের কারণে প্রোগ্রাম ডিবাগ করা কঠিন হতে পারে।

থ্রেডিং অপারেটিং সিস্টেমের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য। এটি কার্যকারিতা বাড়ায় এবং ব্যবহারকারীর অভিজ্ঞতা উন্নত করে। তবে, এটি ব্যবহারে কিছু চ্যালেঞ্জও রয়েছে, যা সঠিকভাবে পরিচালনা করতে হয়। থ্রেডিং-এর সঠিক ব্যবহার এবং পরিচালনা আমাদেরকে আধুনিক সফটওয়্যার উন্নয়নে সহায়তা করে।

 

থ্রেড বনাম প্রসেস

১. প্রক্রিয়া (Process):

• সংজ্ঞা: প্রক্রিয়া হলো একটি কার্যকরী ইউনিট যা একটি প্রোগ্রামের কার্যকরী অবস্থাকে উপস্থাপন করে। এটি CPU-এর দ্বারা পরিচালিত হয় এবং একাধিক সংস্থান (resources) যেমন মেমরি, I/O ডিভাইস ইত্যাদি ব্যবহার করে।
• গঠন: প্রতিটি প্রক্রিয়ায় প্রক্রিয়ার আইডেন্টিফায়ার (PID), প্রোগ্রাম কাউন্টার, রেজিস্টার, স্ট্যাক, এবং মেমরি ব্লক থাকে।
• স্বতন্ত্র: প্রতিটি প্রক্রিয়া স্বতন্ত্র এবং একে অপরের সাথে যোগাযোগ করতে পারে, তবে তাদের জন্য একে অপরের প্রয়োজন হয়।
• সময়: প্রক্রিয়া তৈরি ও পরিচালনা করতে বেশ সময় লাগে কারণ সিস্টেমকে অতিরিক্ত সংস্থান বরাদ্দ করতে হয়।

২. থ্রেড (Thread):

• সংজ্ঞা: থ্রেড হলো একটি প্রক্রিয়ার মধ্যে একটি কার্যকরী উপ-অংশ। এটি প্রক্রিয়ার একটি কার্যকরী উপাদান যা স্বায়ত্বশাসিতভাবে কার্যকরী হয়।
• গঠন: থ্রেডের মধ্যে প্রোগ্রাম কাউন্টার, রেজিস্টার, এবং স্ট্যাক থাকে, তবে এটি প্রক্রিয়ার মেমরি ও সম্পদ শেয়ার করে।
• যোগাযোগ: থ্রেডগুলো একই প্রক্রিয়ার মধ্যে থাকা কারণে সহজেই যোগাযোগ করতে পারে এবং মেমরি শেয়ার করতে পারে।
• সময়: থ্রেড তৈরি ও পরিচালনা করতে কম সময় লাগে কারণ এটি প্রক্রিয়ার অংশ হিসেবে কাজ করে এবং অতিরিক্ত সংস্থানের প্রয়োজন হয় না।

৩. প্রধান পার্থক্য:

বৈশিষ্ট্য	প্রক্রিয়া (Process)	থ্রেড (Thread)
সংজ্ঞা	একটি কার্যকরী ইউনিট যা সম্পূর্ণ প্রোগ্রামকে উপস্থাপন করে।	একটি প্রক্রিয়ার মধ্যে একটি কার্যকরী উপাদান।
সংস্থান	আলাদা মেমরি স্পেস ও সম্পদ ব্যবহার করে।	একই মেমরি স্পেস ও সম্পদ শেয়ার করে।
সৃষ্টির সময়	বেশি সময় লাগে এবং বেশি সংস্থান প্রয়োজন।	দ্রুত এবং কম সংস্থান প্রয়োজন।
যোগাযোগ	অন্য প্রক্রির সাথে যোগাযোগ করতে IPC প্রয়োজন।	সহজ ও দ্রুত যোগাযোগ করতে পারে।

৪. উদাহরণ:

• প্রক্রিয়া: একটি ওয়ার্ড প্রসেসর (যেমন Microsoft Word) একটি প্রক্রিয়া। এটি মেমরি, CPU, এবং অন্যান্য সম্পদ ব্যবহার করে।
• থ্রেড: যদি ওই ওয়ার্ড প্রসেসরের মধ্যে একটি থ্রেড থাকে যা টেক্সট টাইপ করছে এবং অন্য একটি থ্রেড যা স্পেল চেক করছে, তবে উভয়ই একই প্রক্রিয়ার অংশ।

৫. উপসংহার:

থ্রেড এবং প্রসেস উভয়ই কম্পিউটার সিস্টেমে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। প্রসেসগুলি বড় কাজগুলি পরিচালনা করে, যেখানে থ্রেডগুলি কার্যকারিতা উন্নত করতে সহায়তা করে। উন্নত ও কার্যকরী সফটওয়্যার তৈরি করতে, প্রোগ্রামারদের উভয়টির ব্যবহারে সঠিক ভারসাম্য রাখতে হবে।

আশা করি এই নোটটি আপনাকে থ্রেড এবং প্রসেসের মধ্যে পার্থক্য এবং তাদের কাজের বিষয়টি বুঝতে সাহায্য করবে।

 

মাল্টিথ্রেডিং মডেলগুলি (Multi threading Models) অপারেটিং সিস্টেমে (Operating System) একটি গুরুত্বপূর্ণ ধারণা। মাল্টিথ্রেডিং হল একটি প্রক্রিয়ার (Process) মধ্যে একাধিক থ্রেড (Thread) পরিচালনা করার ক্ষমতা। এটি সম্পদ ব্যবহারের দক্ষতা বাড়ায় এবং প্রোগ্রামের পারফরম্যান্স উন্নত করে। এই নোটে আমরা মাল্টিথ্রেডিং মডেলগুলির বিভিন্ন ধরন ও তাদের কার্যপ্রণালী আলোচনা করব।

মাল্টিথ্রেডিং মডেলের প্রকারভেদ

মাল্টিথ্রেডিং মডেলগুলিকে সাধারণত তিনটি প্রধান শ্রেণীতে ভাগ করা যায়:

1.   একক থ্রেড মডেল (Single Thread Model):

o    এই মডেলে, একটি প্রক্রিয়া শুধুমাত্র একটি থ্রেড তৈরি করে। এই থ্রেডের মাধ্যমে সমস্ত কার্যক্রম সম্পন্ন হয়। এই ধরনের মডেল সাধারণত সহজ এবং সহজে বাস্তবায়িত হয়, কিন্তু এটি কার্যক্ষমতায় সীমিত, কারণ একসাথে একাধিক কাজ করা সম্ভব হয় না।

2.   মাল্টি-থ্রেড মডেল (Multi-Thread Model):

o    এই মডেলে, একটি প্রক্রিয়া একাধিক থ্রেড তৈরি করতে পারে। প্রতিটি থ্রেড আলাদা কাজ সম্পন্ন করতে সক্ষম হয়, যা সমান্তরাল প্রক্রিয়াকরণের (Parallel Processing) সুযোগ তৈরি করে। এটি CPU ব্যবহারের দক্ষতা বাড়ায় এবং বিভিন্ন কাজ দ্রুত সম্পন্ন করতে সাহায্য করে।

3.   একাধিক প্রক্রিয়া মডেল (Multi-Process Model):

o    এই মডেলে, বিভিন্ন প্রক্রিয়া আলাদাভাবে কার্যকরী হয়, যেখানে প্রতিটি প্রক্রিয়া এক বা একাধিক থ্রেড ধারণ করে। এই মডেলগুলি সাধারণত বৃহৎ ও জটিল অ্যাপ্লিকেশনে ব্যবহৃত হয়, যেখানে প্রতিটি প্রক্রিয়া বিভিন্ন কাজ সম্পন্ন করতে সক্ষম হয়।

মাল্টিথ্রেডিং এর সুবিধা

• উচ্চ কার্যক্ষমতা: মাল্টিথ্রেডিং ব্যবহারে, একাধিক থ্রেড সমান্তরালভাবে কাজ করতে পারে, যা সম্পূর্ণ প্রক্রিয়াটির কার্যক্ষমতা বাড়ায়।
• শক্তিশালী সম্পদ ব্যবস্থাপন: একাধিক থ্রেড একই সময়ে বিভিন্ন সম্পদ ব্যবহার করতে পারে, যা CPU এবং মেমোরির কার্যকরী ব্যবহারকে বৃদ্ধি করে।
• দ্রুত প্রতিক্রিয়া: ইউজার ইন্টারফেসের জন্য মাল্টিথ্রেডিং একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ফিচার, যা ইউজারকে দ্রুত প্রতিক্রিয়া প্রদান করতে সহায়তা করে।

মাল্টিথ্রেডিং এর অসুবিধা

• জটিলতা: মাল্টিথ্রেডিং প্রোগ্রাম তৈরি করা তুলনামূলকভাবে জটিল হতে পারে, কারণ বিভিন্ন থ্রেডের মধ্যে যোগাযোগ এবং সমন্বয় বজায় রাখা প্রয়োজন।
• ডেডলক সমস্যা: যদি একাধিক থ্রেড একই সময়ে একাধিক সম্পদে প্রবেশ করতে চেষ্টা করে, তাহলে ডেডলক পরিস্থিতি তৈরি হতে পারে, যা প্রোগ্রামটিকে আটকে দিতে পারে।

মাল্টিথ্রেডিং মডেলগুলি আধুনিক অপারেটিং সিস্টেমের একটি অপরিহার্য অংশ। এগুলি CPU ব্যবহারের দক্ষতা বৃদ্ধি করে এবং বৃহৎ ও জটিল অ্যাপ্লিকেশনের কার্যক্ষমতা উন্নত করতে সাহায্য করে। তবে, মাল্টিথ্রেডিং প্রোগ্রাম তৈরি করার সময় জটিলতা এবং সম্ভাব্য সমস্যাগুলি মাথায় রাখা প্রয়োজন। সঠিক পরিকল্পনা ও বাস্তবায়নের মাধ্যমে মাল্টিথ্রেডিংয়ের সুবিধাগুলি পুরোপুরি ব্যবহার করা সম্ভব।

থ্রেড লাইব্রেরি (Thread Libraries)

পরিচয়:

থ্রেড লাইব্রেরি এমন একটি সফটওয়্যার ইন্টারফেস যা একটি প্রোগ্রামে একাধিক থ্রেড তৈরি এবং পরিচালনা করতে সহায়তা করে। এটি প্রোগ্রামারদের থ্রেড তৈরি, পরিচালনা, এবং সমন্বয় করার জন্য বিভিন্ন ফাংশন এবং উপাদান প্রদান করে।

থ্রেড কি?

থ্রেড হলো একটি স্বতন্ত্র কার্যক্রমের অন্তর্গত, যা একটি প্রক্রিয়ার (Process) ভিতরে থাকে। একটি প্রক্রিয়া একাধিক থ্রেড ধারণ করতে পারে, যেখানে প্রতিটি থ্রেড আলাদা আলাদা কার্যক্রম সম্পাদন করতে পারে। থ্রেডগুলি একসাথে কাজ করে এবং সাধারণভাবে একই স্মৃতি স্থান ভাগ করে নেয়।

থ্রেড লাইব্রেরির প্রকারভেদ:

থ্রেড লাইব্রেরি প্রধানত দুটি প্রকারের হতে পারে:

1.   কর্নেল-লেভেল থ্রেড লাইব্রেরি (Kernel-Level Thread Libraries):

o    এখানে থ্রেডগুলি অপারেটিং সিস্টেমের (OS) দ্বারা সরাসরি পরিচালিত হয়।

o    উদাহরণ: Windows Threads, POSIT Threads (P threads)।

o    এই লাইব্রেরিগুলি উচ্চ কার্যকারিতা এবং উন্নত প্রসেসিং ক্ষমতা প্রদান করে।

2.   ইউজার-লেভেল থ্রেড লাইব্রেরি (User-Level Thread Libraries):

o    এই লাইব্রেরিগুলি প্রোগ্রামারদের দ্বারা তৈরি এবং পরিচালিত হয় এবং এটি অপারেটিং সিস্টেমের থ্রেড ম্যানেজমেন্ট থেকে আলাদা।

o    উদাহরণ: Green Threads (Java)।

থ্রেড লাইব্রেরির সুবিধা:

• প্যারালাল প্রোগ্রামিং: একাধিক থ্রেড ব্যবহার করে একটি প্রোগ্রামকে দ্রুতগতিতে কাজ করার সক্ষমতা দেয়।
• সংরক্ষণ ক্ষমতা: থ্রেডগুলি প্রক্রিয়ার মধ্যে মেমরি স্থান ভাগ করে নেওয়ার ফলে মেমরি ব্যবস্থাপনায় সুবিধা হয়।
• উন্নত প্রতিক্রিয়া: ইউজার ইন্টারফেসে দ্রুত প্রতিক্রিয়া প্রদানের জন্য থ্রেডগুলি কার্যকরী।

থ্রেড লাইব্রেরির কার্যকারিতা:

• থ্রেড সৃষ্টি: নতুন থ্রেড তৈরি করা।
• থ্রেড পরিচালনা: থ্রেডের কার্যক্রম শুরু, বন্ধ এবং সমন্বয় করা।
• সিঙ্ক্রোনাইজেশন: একাধিক থ্রেডের মধ্যে সঠিক তথ্য বিনিময়ের জন্য সমন্বয় ব্যবস্থা।

থ্রেড লাইব্রেরিগুলি আধুনিক অপারেটিং সিস্টেমে একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। এর মাধ্যমে উন্নত প্যারালাল প্রোগ্রামিং, কার্যকরী মেমরি ব্যবস্থাপনা এবং উন্নত ব্যবহারকারী অভিজ্ঞতা সম্ভব হয়।

এই ধরনের লাইব্রেরি ব্যবহার করে, প্রোগ্রামাররা সহজেই তাদের অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে কার্যকর থ্রেডিং ইমপ্লিমেন্ট করতে পারে এবং কর্মক্ষমতা বাড়াতে পারে।

থ্রেড স্কেজুলিং (Thread Scheduling) - অপারেটিং সিস্টেমে

থ্রেড স্কেজুলিং হল একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রক্রিয়া যা অপারেটিং সিস্টেমে (OS) বিভিন্ন থ্রেডের কার্যক্রম পরিচালনা করে। এটি CPU সময়ের কার্যকর ব্যবহার নিশ্চিত করতে সাহায্য করে। থ্রেড হল একটি কার্যকরী একক যা একটি প্রোগ্রামের মধ্যে বিভিন্ন কাজ সম্পাদন করে। একটি প্রোগ্রামে একাধিক থ্রেড থাকতে পারে, এবং এগুলি সমান্তরালে কাজ করতে পারে, যার ফলে পারফরম্যান্স বৃদ্ধি পায়।

থ্রেড স্কেজুলিং-এর উদ্দেশ্য

১. প্রদর্শন উন্নতি: থ্রেড স্কেজুলিং বিভিন্ন থ্রেডের মধ্যে CPU সময় ভাগ করে দেয়, যা প্রোগ্রামের কর্মক্ষমতা উন্নত করে।

২. সম্পদ ব্যবহার: এটি সিস্টেমের সম্পদের (যেমন CPU, মেমরি, I/O ডিভাইস) উন্নত ব্যবহার নিশ্চিত করে।

৩. রেসপন্সিভনেস: ব্যবহারকারীর কাজের প্রতি দ্রুত প্রতিক্রিয়া প্রদান করতে সাহায্য করে।

থ্রেড স্কেজুলিংয়ের প্রকারভেদ

১. প্রায়োরিটি স্কেজুলিং: বিভিন্ন থ্রেডের জন্য বিভিন্ন প্রায়োরিটি নির্ধারণ করে। উচ্চ প্রায়োরিটি থ্রেডগুলি নিম্ন প্রায়োরিটি থ্রেডের তুলনায় আগে চালিত হয়।

২. রাউন্ড রবিন স্কেজুলিং: প্রতিটি থ্রেডকে সমান সময়ের জন্য CPU দেয়। এই পদ্ধতিতে সিস্টেমের প্রতিটি থ্রেডকে নির্দিষ্ট সময় পর পর চালনা করা হয়।

৩. ফার্স্ট কম, ফার্স্ট সার্ভড (FCFS): থ্রেডগুলি তাদের আসার সময়ের ভিত্তিতে সম্পাদিত হয়। প্রথমে আসা থ্রেডটি প্রথমে কার্যকর করা হয়।

৪. শর্টেস্ট বুস্ট টাইম ফার্স্ট (SJF): ছোটতম কাজের জন্য অপেক্ষা করে। এটি ছোট থ্রেডগুলিকে দ্রুত সম্পন্ন করতে সাহায্য করে।

থ্রেড স্কেজুলিংয়ের চ্যালেঞ্জসমূহ

·         ডেডলক: একাধিক থ্রেড যদি একে অপরের সম্পদ ধরে রাখে, তবে তারা একসঙ্গে অপেক্ষা করতে পারে।

·         থ্রেড কনটেক্সট সুইচিং: থ্রেডের মধ্যে পরিবর্তন করতে CPU সময় ব্যয় হয়। অধিক কনটেক্সট সুইচিং পারফরম্যান্স কমাতে পারে।

·         লকিং সমস্যা: একাধিক থ্রেড একই সময়ে একই সম্পদে প্রবেশ করার চেষ্টা করলে সমস্যার সৃষ্টি হয়।

থ্রেড স্কেজুলিং একটি অপরিহার্য প্রক্রিয়া যা অপারেটিং সিস্টেমের কার্যকর ব্যবস্থাপনা নিশ্চিত করে। সঠিক স্কেজুলিং নীতি প্রয়োগের মাধ্যমে সিস্টেমের কার্যকারিতা এবং প্রতিক্রিয়া সময় উন্নত করা যায়। এটি ডেভেলপারদের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ দিক, কারণ এটি অ্যাপ্লিকেশনের পারফরম্যান্সে সরাসরি প্রভাব ফেলে।