Hilo (informática) para niños

Un hilo o hebra (del inglés thread) es como una pequeña parte de un programa de computadora que puede funcionar al mismo tiempo que otras partes. Imagina que tu computadora está haciendo varias cosas a la vez, como reproducir música, navegar por internet y escribir un documento. Para lograr esto, los programas usan hilos.

Los hilos son muy útiles porque permiten que una aplicación haga varias tareas al mismo tiempo. Por ejemplo, un programa de edición de texto podría usar un hilo para que tú escribas y otro hilo para guardar automáticamente tu trabajo en segundo plano.

Varios hilos pueden compartir los mismos recursos de la computadora, como la memoria o los archivos que están abiertos. Esto significa que si un hilo cambia algo en la memoria, los otros hilos verán ese cambio de inmediato. Lo que es propio de cada hilo es su propia "lista de tareas" (contador de programa), su espacio de trabajo temporal (pila de ejecución) y la información de la CPU que está usando.

Un programa (llamado proceso) sigue funcionando mientras al menos uno de sus hilos esté activo. Cuando todos los hilos de un proceso terminan, el proceso también finaliza y la computadora libera los recursos que usaba.

Algunos lenguajes de programación, como Java o Delphi, están diseñados para trabajar fácilmente con hilos. Otros, como C y C++, necesitan que uses funciones especiales del sistema operativo para crearlos.

¿Qué diferencia hay entre hilos y procesos?

Para entender mejor los hilos, es útil compararlos con los procesos. Un proceso es un programa completo que se está ejecutando. Generalmente, los procesos son independientes entre sí y tienen su propia información y recursos. Si dos procesos necesitan comunicarse, lo hacen a través de mecanismos especiales del sistema.

Por otro lado, los hilos son como "sub-tareas" dentro de un mismo proceso. Comparten muchos recursos directamente, como la memoria. Cambiar de un hilo a otro dentro del mismo proceso es mucho más rápido que cambiar de un proceso a otro. Esto se debe a que los hilos ya comparten la información, mientras que al cambiar de proceso, la computadora tiene que "cambiar de chip" por completo, lo que toma más tiempo.

¿Cómo funcionan los hilos?

Los hilos, al igual que los procesos, tienen diferentes estados mientras se ejecutan y pueden coordinarse entre sí para evitar problemas al compartir recursos. Cada hilo suele tener una tarea específica, lo que ayuda a que la computadora use su procesador de manera más eficiente.

Estados de un hilo

Los hilos pueden estar en varios estados:

• Ejecución: El hilo está usando el procesador y realizando su tarea.
• Listo: El hilo está esperando su turno para ser ejecutado por el procesador.
• Bloqueado: El hilo está esperando que ocurra algo (por ejemplo, que un archivo se abra o que termine otra tarea) antes de poder continuar.

Si el proceso al que pertenecen los hilos no está en la memoria principal de la computadora (RAM), todos sus hilos tampoco lo estarán, ya que comparten el mismo espacio de memoria.

Cambios de estado de un hilo

Los hilos pasan por diferentes etapas:

• Creación: Cuando se inicia un programa (proceso), se crea un hilo principal. Este hilo puede crear otros hilos dentro del mismo programa para realizar más tareas. El nuevo hilo se pone en la lista de "listos" para ser ejecutado.
• Bloqueo: Si un hilo necesita esperar algo, se "bloquea". La computadora guarda su información y el procesador puede empezar a trabajar en otro hilo que esté "listo".
• Desbloqueo: Cuando lo que el hilo estaba esperando sucede, el hilo vuelve a la lista de "listos" para ser ejecutado.
• Terminación: Cuando un hilo termina su tarea, se liberan los recursos que usaba.

Ventajas de usar hilos

Aunque un proceso puede tener un solo hilo (llamado "monohilo"), las mayores ventajas se ven cuando un proceso tiene varios hilos (llamado "multihilo"). Esto permite que un programa haga muchas cosas diferentes al mismo tiempo.

Algunos beneficios de usar hilos son:

• Es mucho más rápido crear un nuevo hilo dentro de un programa que crear un programa completamente nuevo.
• Terminar un hilo es más rápido que terminar un programa completo.
• Cambiar entre dos hilos del mismo programa es muy rápido.
• Los hilos mejoran la comunicación entre las diferentes partes de un programa. Como comparten recursos, pueden intercambiar información de forma más directa y eficiente.

Coordinación entre hilos

Dado que todos los hilos de un mismo proceso comparten la memoria y otros recursos, es muy importante que se coordinen bien. Si un hilo cambia un dato, los otros hilos lo verán. Si no se coordinan, podrían surgir problemas donde los datos se mezclan o se corrompen.

Cuando las computadoras tienen varios procesadores (o "cerebros"), los programas con muchos hilos pueden funcionar aún más rápido, porque los hilos pueden ejecutarse al mismo tiempo en diferentes procesadores. Sin embargo, el programador debe tener cuidado para evitar situaciones donde los hilos intentan cambiar los mismos datos al mismo tiempo, lo que podría causar errores. Para esto, se usan técnicas especiales que aseguran que los hilos trabajen de forma ordenada.

Tipos de multihilos

Los sistemas operativos suelen manejar los hilos de dos maneras principales:

• Multihilo apropiativo: El sistema operativo decide cuándo un hilo debe dejar de ejecutarse para que otro tome su lugar. Esto es útil, pero a veces el sistema puede hacer el cambio en un momento no ideal.
• Multihilo cooperativo: El propio hilo decide cuándo ceder el control al sistema para que otro hilo pueda ejecutarse. Esto puede causar problemas si un hilo se queda esperando un recurso y no cede el control.

El soporte para multihilos en el hardware (los componentes físicos de la computadora) existe desde hace tiempo. Por ejemplo, algunos procesadores Intel como el Pentium 4, usaron una tecnología llamada HyperThreading para permitir que un solo procesador manejara varios hilos de forma más eficiente.

Usos comunes de los hilos

Los hilos se usan en muchas aplicaciones que usamos a diario:

Trabajo interactivo y en segundo plano

Imagina un programa de hoja de cálculo. Un hilo puede encargarse de mostrarte los menús y leer lo que escribes, mientras otro hilo ejecuta los cálculos y actualiza la hoja. Esto hace que el programa se sienta más rápido, ya que puedes seguir interactuando con él mientras realiza tareas complejas.

Procesamiento en segundo plano

Los programas de procesamiento de texto, por ejemplo, pueden usar un hilo para guardar automáticamente una copia de seguridad de tu documento mientras tú sigues escribiendo. Es como si dos partes del programa trabajaran de forma independiente.

Acelerar la ejecución

En algunas tareas, un hilo puede estar procesando un grupo de datos mientras otro hilo ya está leyendo el siguiente grupo de datos. Esto ayuda a que el trabajo se complete más rápido.

Organizar programas de forma modular

Los hilos son una forma eficiente de organizar programas complejos que realizan muchas actividades diferentes. Cada actividad puede tener su propio hilo, lo que hace que el programa sea más ordenado y fácil de manejar.

Cómo se implementan los hilos

Hay dos formas principales en que los hilos se implementan en los sistemas operativos:

• Hilos a nivel de usuario (ULT): La aplicación misma se encarga de gestionar los hilos. El sistema operativo no sabe que existen hilos dentro del programa; solo ve el programa como una unidad.

Ventajas: Es más rápido cambiar entre hilos porque no se necesita la intervención del sistema operativo. Pueden funcionar en cualquier sistema operativo. Desventajas: Si un hilo necesita esperar algo del sistema operativo (como leer un archivo), todo el programa se bloquea. No pueden aprovechar al máximo las computadoras con varios procesadores.

• Hilos a nivel de núcleo (KLT): El sistema operativo (el "núcleo") es quien gestiona directamente los hilos. El programa solo le pide al sistema operativo que cree y maneje los hilos.

Ventajas: Si un hilo se bloquea, el sistema operativo puede ejecutar otro hilo del mismo programa o de otro programa. Pueden usar varios procesadores al mismo tiempo. Desventajas: Es más lento cambiar entre hilos porque se necesita la intervención del sistema operativo.

Combinaciones de ULT y KLT

Algunos sistemas operativos, como Solaris o Ubuntu, usan una combinación de ambos métodos. Esto permite que los programas aprovechen las ventajas de ambos, como la rapidez de los hilos a nivel de usuario y la capacidad de usar varios procesadores que ofrecen los hilos a nivel de núcleo.

Véase también

En inglés: Thread (computing) Facts for Kids