А теперь — хорошие новости. Фоновые потоки могут быть весьма полезными. Благодаря фоновым потокам вы можете организовать в одном приложении несколько потоков выполнения команд приложения. Микропроцессор предоставляет каждому потоку квант времени для выполнения, и еще некоторое время тратится на переключение между потоками. Несмотря на то что общее количество инструкций программы, выполненных несколькими параллельными потоками, всегда будет меньше, чем в случае их выполнения единственным потоком, которому предоставлены все кванты времени, два потока могут решать параллельно разные задачи. Иногда такая возможность оказывается весьма ценной.

Дополнительные один-два потока могут улучшить способность вашего приложения к отклику за счет того, что задачи можно выполнять в фоновом режиме, а высокоприоритетный поток переднего плана оставить для обеспечения обратной связи приложения с пользователем. В качестве аналогии рассмотрим пример гостиницы. Чтобы гостиница функционировала эффективно, за стойкой портье всегда должен находиться человек. Посетители могут подойти к стойке со своими просьбами или вопросами в любое время дня и ночи, и один сотрудник гостиницы должен быть всегда свободен, чтобы незамедлительно обслужить посетителя. Портье можно сравнить с интерфейсом пользовательского приложения. Всякий раз, когда возникает задача, для выполнения которой требуется определенное время, портье перепоручает эту работу кому-то другому, чтобы сохранить для себя возможность обслуживания других посетителей. Другие сотрудники гостиницы играют роль фоновых потоков выполнения. Никакая работа не выполняется бесплатно. Чтобы иметь возможность нанять дополнительных людей и постоянно держать портье у стойки, гостиница должна платить им зарплату. В случае мобильного устройства ваши дополнительные накладные расходы покрываются за счет бюджета общей производительности приложения. У вашего приложения имеется ограниченный ресурс вычислительной мощности, и он должен разумно распределяться между высокоприоритетным потоком переднего плана, фоновыми задачами и обслуживанием переключения между потоками.

Если в приложении имеются длительно выполняющиеся алгоритмы, завершение которых необходимо для получения аналитического ответа, то фоновый поток является великолепным кандидатом для выполнения этой работы. Так, в процессе алгоритмического выбора следующего хода в шахматной игре значительное время тратится на сравнение различных вариантов ходов; фоновый поток отлично справится с такой работой. Если вы на 90 процентов уверены в том, что пользователь каждый раз будет запрашивать определенную фотографию или порцию данных, которые загружаются несколько секунд или требуют сетевого доступа, то заблаговременное выполнение этой работы фоновым потоком будет производить на пользователя ошеломляющий эффект. Существует масса других поводов к тому, чтобы использовать в приложении фоновые потоки для улучшения ответной реакции пользовательского интерфейса в конкретных случаях. Фоновые потоки могут использоваться либо для запуска долговременных алгоритмов в ответ на запрос пользователя, либо для предварительного извлечения данных или выполнения вычислений, исходя из прогнозируемых потребностей пользователя.

Существующие на сегодняшний день современные многозадачные операционные системы позволяют использовать микропроцессор как разделяемый ресурс. Микропроцессорное время распределяется между различными задачами таким образом, что с точки зрения задачи она является единственным владельцем этого ресурса. Это называется многозадачностью, а на выполняемые задачи ссылаются как на процессы. В каждый момент времени на вашем мобильном устройстве выполняются, вероятно, одновременно несколько задач. Скорее всего, количество этих задач больше, чем вы могли бы думать. Некоторые из них обслуживают низкоуровневые потребности, так что "приложениями" вы их даже и не назовете, тогда как другие представляют собой хорошо знакомые вам программы. Время от времени операционная прерывает выполнение задачи в некоторой точке и передает управление другому ожидающему процессу или потоку. Все это хорошо работает, поскольку большую часть времени приложения ничем особенным не заняты; обычно они просто ожидают какого-либо ввода, который необходимо будет обработать. Если же каждый из процессов приложения использует все отведенное для него процессорное время для вычисления значения числа ??!pi□ с бесконечной точностью, то общая производительность значительно страдает. Многозадачность оправдывается тогда, когда значительную часть времени возможности микропроцессора используется в недостаточной степени.

Вопрос о справедливом распределении процессорного времени между различными процессами и потоками — это особая тема, на обсуждение которой потребовалась бы целая книга. Достаточно сказать, что процессорное время распределяется между различными задачами, конкурирующими между собой за обладание этим ресурсом, на основании неких разумных принципов.

Передача управления от одного процесса к другому сопряжена с так называемым переключением контекста. Поскольку каждому процессу приложения кажется, будто он является единственным владельцем микропроцессора, при передаче управления от одного процесса другому должен осуществляться свопинг всех используемых данных. Свопинг охватывает регистры микропроцессора, программный счетчик и указатели виртуальной памяти, а если используется конвейер команд, помещаемых в очередь, или же кэш-память, связанная с микропроцессором, то обработке подлежат и эти данные. Переключение контекста обходится недешево. Чем больше процессов выполняется на устройстве или чем меньше квант времени, выделяемый каждому процессу для выполнения, тем больше доля времени, которое тратится на переключение от одного процесса к другому.

Поскольку обработка операционной системой контекстных переключений между задачами является дорогостоящей, большинство современных систем поддерживают многопоточность, которая представляет собой упрощенную форму многозадачности. Многопоточность обеспечивает поддержку нескольких потоков выполнения внутри одного процесса. Переключение контекста выполнения между различными потоками обходится дешевле, чем переключение контекстов процессов. Однако переключение контекстов потоков также не дается бесплатно. Определенные накладные расходы требуются для изменения исполнительного адреса, свопинга регистровых значений, а также других вспомогательных операций, обеспечивающих гладкое протекание вычислений.

Использование нескольких потоков выполнения в рамках одного и того же пространства памяти приложения может приводить к значительному усложнению кода приложения, обусловленному недетерминированностью времени выполнения вычислений. Попытки двух потоков получить доступ к одним и тем же областям памяти примерно в одно и то же время могут стать причиной возникновения сложных и не до конца определенных ситуаций. Это справедливо как в случае собственного кода С/С++, так и в случае управляемого кода. Для решения проблем подобного рода предназначены блокировки, мьютексы, семафоры и критические разделы; объекты последней разновидности позволяют создавать разделы кода, не являющиеся реентерабельными. В целом, многопоточность напоминает многоярусную автостраду, где есть участки, на которых все движение сливается в одну трассу. И вновь заметим, что подробному рассмотрению всех сложностей и подводных камней параллельного выполнения кода можно было бы посвятить целую книгу.

В конечном счете, все различные процессы и потоки конкурируют между собой за право захватить возможность выполнения на единственном процессоре (или на пуле процессоров, если речь идет о многопроцессорных системах). Каждый процесс может иметь, по крайней мере, один поток, но некоторые процессы могут иметь и несколько потоков выполнения. Операционная система делает все, что возможно, для обеспечения равноправного распределения процессорного времени между процессами и их потоками (примечание: "равноправие" не означает "поровну"), пытаясь минимизировать накладные расходы, связанные с переключением соответствующих контекстов.