Помоги проекту - поделись книгой:
Спасибо Ким Фрейзер (Kim Fraser) за уже вторую прекрасную обложку для моей книги.
Отдельное спасибо Джону Острандеру (John Ostander) за его превосходные предложения по грамматике и внимательное чтение корректуры :-).
И, конечно, особую благодарность я хочу выразить моему редактору, Крису Херборту — за то, что он нашел время редактировать эту книгу, помогать мне иногда с применением мрачных SGML/LaTeX, умудряясь при этом еще делать дюжину вещей одновременно! (
Я также хотел бы выразить глубокую благодарность за поддержку и понимание моей жене Кристине за то, что она каждый раз терпела мое многочасовое торчание в подвале с полнейшим ее игнорированием!
Типографские соглашения
В тексте данной книги для обеспечения различимости технической терминологии используется ряд типографских соглашений. В целом, примененные здесь стандарты оформлении текстового материала соответствуют таковым в публикациях документов POSIX. Ниже в таблице приведены образцы принятых типографских соглашений.
| Тип текста | Пример оформления |
|---|---|
| Тексты программ | if (stream == NULL) |
| Опции команд | -lR |
| Команды | make |
| Переменные окружения | PATH |
| Файлы и имена путей | /dev/null |
| Имена функций | |
| Комбинации клавиш | Ctrl-Alt-Del |
| Клавиатурный ввод | Текст, который вы набираете |
| Клавиши | Enter |
| Вывод программ | login: |
| Именованные константы | NULL |
| Типы данных | unsigned short |
| Литералы | 0xFF, "message string" |
| Имена переменных |
Глава 1
Процессы и потоки
Основные понятия о процессах и потоках
Прежде, чем мы начнем обсуждать потоки, процессы, кванты времени и другие замечательные «концепции диспетчеризации», давайте поговорим об аналогиях.
Сначала я хотел бы проиллюстрировать, как функционируют потоки и процессы. На мой взгляд, лучший способ (о глубинном изучении систем реального времени сейчас речь не идет) — это вообразить поведение наших потоков и процессов в некоторой привычной для нас обстановке.
Процесс как жилой дом
Давайте используем для построения аналогий о процессах и потоках объект, который мы используем повседневно — наш собственный дом.
Дом реально представляет собой контейнер с некоторыми атрибутами (общая площадь дома, число спален, и т.д.).
Если рассматривать жилой дом с этой точки зрения, он ничего не делает сам по себе. Дом — пассивный объект, в этом он аналогичен процессу. Поговорим об этом вкратце.
Потоки как обитатели дома
Люди, живущие в доме, суть активные объекты — они живут в комнатах, просматривают телепрограммы, готовят пищу, принимают душ, и т.д. Скоро мы поймем, что потоки функционируют аналогично.
Если вы когда-либо жили в одиночестве, вы знаете, каково это — вы можете делать в доме все, что вы пожелаете и когда вы пожелаете, потому что в доме больше никого нет. Если вы пожелаете включить стерео, принять душ, приготовить обед, что угодно — вы просто идете и делаете это.
Ситуация в корне изменится, если вы введете в дом еще одного человека. Скажем, вы женитесь. Теперь у вас есть супруга, живущая в этом же доме вместе с вами. Теперь уже вы не сможете попасть в душ в любой момент времени — придется каждый раз сначала проверять, нет ли там вашей супруги.
Если вы оба — взрослые и ответственные люди, о вопросах безопасности обычно можно не беспокоиться. Вы будете уверены в том, что другой совершеннолетний человек будет уважать ваши правила, принципы и жизненное пространство и не попробует тайком поджечь кухню, и т.д.
А если теперь добавить в дом несколько детей — тут все станет еще интереснее.
Назад к процессам и потокам
Так же как и дом занимает некоторый участок земли в жилом массиве, так и процесс занимает некоторый объем памяти компьютера. Аналогично тому, как и обитатели в доме могут свободно войти в любую комнату, в которую пожелают, потоки в процессах все вместе имеют общий доступ к этой памяти. Если поток получает доступ к некоему объекту (мама покупает игрушку), все другие потоки немедленно получают к нему доступ, потому что этот объект существует в общем адресном пространстве — в доме. Аналогично, если процесс распределяет для себя память, эта память становится доступной для всех потоков. Хитрость здесь состоит в том, что необходимо знать, должна ли эта память быть доступной для всех потоков в процессе. Если это так, то доступ потоков к ней придется синхронизировать. Если это не так, то будем считать, что эта память относится к одному конкретному потоку. В этом случае, поскольку только один поток имеет доступ к этой памяти, можно считать, что синхронизация не потребуется — не будет же этот поток сам ставить себе подножки!
Из нашего повседневного опыта мы знаем, что вещи не так просты, как кажутся. Теперь, когда мы рассмотрели основные характеристики (резюме: любой объект является разделяемым!) давайте обратимся к более интересным ситуациям и выясним, чем же они так интересны.
На рисунке, представленном ниже, показано, как мы в дальнейшем будем представлять потоки и процессы. Процесс здесь — это круг, отображающий «контейнерную» концепцию (адресное пространство), а три ломаных линии — это потоки. Вы найдете найдете подобные иллюстрации далее во всех разделах этой книги.
Процесс как контейнер потоков.
Взаимное исключение
Если вы хотите принять душ, и в доме есть еще кто-то, и этот кто-то уже в ванной, вам придется подождать. Как же поток функционирует в аналогичной ситуации?
Потоки используют то, что мы называем взаимным исключением (mutual exclusion). Означает это в значительной степени то, о чем вы и подумали — несколько потоков являются взаимно исключающими, когда речь идёт идет об определенном ресурсе.
Если вы хотите принять душ, это значит, что вы хотите получить эксклюзивный доступ к ванной комнате. Для этого вы должны сначала войти в ванную, а затем закрыть ее дверь изнутри. Если при этом данной ванной комнатой попытается воспользоваться кто-либо другой, его остановит запертая дверь. После того как вы закончили свои дела в ванной, вы откроете дверь и этим позволите еще кому-либо получить доступ в душ.
Именно так и поступает поток. Поток использует объект, называемый мутексом (сокращенно от MUTual Exclusion — взаимное исключение). Этот объект подобен замку в двери: как только поток заблокирует мутекс, никакой другой поток не сможет получить доступ к мутексу до тех пор, пока владеющий мутексом поток его не разблокирует — иными словами, мутекс будет удерживать другие потоки, подобно дверному замку.
Другая интересная параллель, которая проявляется как с мутексами, так и по аналогии с дверными замками, состоит в том, что мутекс является действительно «рекомендательной» блокировкой. Если поток не подчиняется правилам использования мутексов, то такая защита бессмысленна. В нашей аналогии с жилым домом эта ситуация подобна тому, как кто-либо вломился бы в ванную комнату через одну из стен, игнорируя соглашение о запертой двери.
Приоритеты
А что если ванная комната в настоящее время заперта, и множество людей ожидают момента, чтобы ею воспользоваться? Очевидно, все они располагаются вне ее, ожидая, когда же тот, кто в ней находится, наконец выйдет. Закономерный вопрос: «А что произойдет, когда дверь откроется? Кто должен войти следующим?»
Можно предположить, что было бы «справедливым» позволить войти следующим тому, кто ожидает более длительное время. Или было бы «справедливо» позволить войти в ванную следующим тому, кто бы был, например, самый старший по возрасту, или самый высокий, или самый главный. Имеется множество способов определить то, что признавать «справедливым».
Применительно к потокам, мы решаем эту проблему с учетом только двух факторов: приоритета и продолжительности ожидания.
Предположим, что одновременно два человека оказываются у запертой двери в ванную комнату. Одного из них уже «поджимает» время (он опаздывает на совещание), в то время как другой тоже опаздывает, но не так уж сильно. Разве не имело бы смысл позволить тому, кого поджимает время, войти в ванную следующим? Разумеется, имело бы. Остается единственный вопрос о том, как вы принимаете решение о том, кто более «важен» в такой ситуации. Это можно сделать, например, назначив приоритет (давайте использовать номера приоритетов такие, какие приняты в QNX/Neutrino: для рассматриваемой версии QNX/Neutrino номер 1 — самый низкий, номер 63 — самый высокий). Людям в доме, которые имеют неотложные дела, следовало бы дать более высокий приоритет, а тем, у которых таких дел нет, — более низкий. Так же дела обстоят и с потоками. Если бы на момент разблокировки мутекса в ожидании находилось множество потоков, мы бы отдали этот мутекс ожидающему потоку с наивысшим приоритетом. Предположим, однако, что оба человека имеют тот же самый приоритет. Что делать? Хорошо, в этом случае было бы «справедливо» позволить человеку, который ожидал более длительное время, войти следующим. Это было бы не только «справедливо», но и так же, как это делает ядро в QNX/ Neutrino. В случае, когда в ожидании находится группа потоков, мы выстраиваем их сначала по приоритету, а уже в пределах каждого приоритета — по продолжительности ожидания.
Мутекс, конечно же, не единственное средство синхронизации из тех, которые нам доведется встретить. Давайте же рассмотрим и некоторые другие тоже.
Семафоры
Давайте переместимся из ванной комнаты на кухню, так как это социально адаптированное помещение для одновременного обитания более чем одного человека. На кухне вы можете не пожелать, чтобы все и каждый находились бы там одновременно. В действительности вы бы, вероятно, пожелали ограничить число людей на кухне (поваров, например).
Скажем, вы не хотите, чтобы на кухне находилось одновременно более двух человек. Смогли бы вы это реализовать с помощью мутекса? В пределах принятого определения — нет. Почему нет? Это действительно очень интересная проблема в нашей аналогии с домом. Давайте разобьем возникшую проблему на части и проанализируем ситуацию поэтапно.
В ванной комнате возможна одна из двух ситуаций, каждая из которых характеризуется двумя жестко взаимосвязанными состояниями:
• дверь открыта, и в ванной никого нет;
• дверь закрыта, и в помещении находится один человек.
Здесь никакая другая комбинация состояний невозможна — в пустом помещении дверь не может быть никем заперта изнутри (иначе как мы бы ее тогда открыли?), и дверь не может быть открыта кем-либо вне ванной (иначе как бы мы тогда обеспечили приватность использования?). Это и есть пример семафора с единичным значением счетчика — в помещении может находиться не более одного человека, или, иными словами, только один поток может использовать семафор.
Ключевым здесь (прошу прощения за каламбур) является подход к определению замка. В типовой ванной комнате вы сможете запереть и отпереть дверь только изнутри — снаружи средств для этого не предусмотрено. В действительности это означает что блокировка мутекса — это атомарная операция, и невозможна ситуация, в которой, пока вы находитесь в процессе блокировки мутекса, его заблокирует некоторый другой поток, так что в результате вы оба стали бы владельцами этого мутекса. В наше аналогии с жилым домом это не так очевидно — хотя бы потому, что люди гораздо умнее, чем нули и единицы.
Что нам действительно потребуется на кухне, так это замок другого типа.
Предположим, что мы установили в двери на кухне обычный, открываемый ключом замок. Принцип работы этого замка заключается в том, что если у вас есть ключ, вы можете отпереть дверь и войти. Любой, кто использует этот замок, должен быть согласен с тем, что, войдя, он немедленно запрет дверь изнутри, чтобы любому, кто находится вне кухни, для входа всегда требовался бы ключ.
Ну вот, теперь управлять количеством людей, которых мы пожелали бы одновременно видеть на кухне, становится весьма легким делом — достаточно просто повесить на дверь снаружи несколько ключей. Напоминаем, что кухня должна быть всегда закрыта! Когда кто-либо пожелает попасть на кухню, он увидит, что на двери кухни висит ключ. Если это так, он возьмет этот ключ, откроет им дверь, войдет внутрь и этим же ключом закроет дверь изнутри.
Поскольку человек, входящий на кухню, должен взять ключ с собой (без этого он просто не сможет закрыть дверь изнутри), получается, что, ограничивая число висящих снаружи ключей, мы можем непосредственно управлять количеством людей, которым позволено быть на кухне в любой заданный момент времени.
При операциях с потоками подобный механизм реализуется путем применения семафоров. «Простые» семафоры работают точно так же, как и мутексы. Вы либо являетесь владельцем мутекса — в этом случае вы имеете доступ к ресурсу, — или нет — тогда вы не имеете доступа. Семафор, описанный выше в аналогии с доступом на кухню, является семафором со счетчиком. Такой семафор отслеживает состояние своего внутреннего счетчика обращений (т.е. число ключей, доступных потокам).
Семафор в роли мутекса
Мы только что задали себе вопрос: «Смогли бы мы реализовать блокировку со счетом с помощью мутекса?» Ответ был отрицательный. А если наоборот? Смогли бы мы использовать семафор в качестве мутекса?
Да, смогли бы. В действительности в некоторых операционных системах так все и делается — никаких мутексов, одни семафоры! Зачем тогда вообще беспокоиться о мутексах?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим ситуацию в нашей аналогии с ванной комнатой. Как строитель вашего дома реализовал мутекс? Я подозреваю, что в вашем доме нет ключей, которые вешались бы на двери снаружи.
Мутексы — это семафоры «специального назначения». Если вы пожелаете, чтобы в определенном месте программы выполнялся только один поток, эффективнее всего было бы реализовать это при помощи мутекса.
Позже мы рассмотрим и другие способы синхронизации потоков — объекты, которые называются условными переменными (condvar), барьерами (barrier) и ждущими блокировками (sleepon).
Роль ядра
Наша аналогия с процессами в жилом доме прекрасна для объяснения концепций синхронизации, но бесполезна при анализе одной очень важной проблемы. В доме у нас было много потоков, работающих одновременно. Однако в реальной жизненной ситуации обычно имеется только один процессор, так что только один объект может реально работать в одно и то же время.
Одиночный процессор
Давайте рассмотрим, что происходит в реальном мире, и особенно в ситуации «экономии», где в системе есть только один процессор. В этом случае, поскольку имеется только один процессор, в любой заданный момент времени может выполняться только один поток. Ядро решает (с учетом ряда правил, которые мы кратко рассмотрим), какой поток должен выполняться, и запускает его.
Несколько процессоров — симметричная мультипроцессорная система (SMP)
Если вы покупаете систему, в которой имеется множество идентичных процессоров, совместно использующих одну и ту же память и устройства, это означает, что у вас есть блок SMP. (SMP расшифровывается как «Symmetrical Multi-Processor» — «симметричный мультипроцессор»; с помощью слова «симметричный» подчеркивается, что все центральные процессоры, применяемые в системе, являются идентичными.) В таком случае число потоков, которые могут работать одновременно, ограничено количеством процессоров. (Кстати, в случае с одним процессором была та же самая ситуация!) Поскольку каждый процессор может одновременно обрабатывать только один поток, в ситуации с применением множества процессоров несколько потоков могут работать одновременно. Давайте пока абстрагируемся от числа процессоров в системе — при проектировании системы бывает полезно считать, что несколько потоков могут выполняться одновременно, даже если это и не происходит в реальной ситуации. Несколько позже в разделе «На что следует обратить внимание при использовании SMP» мы рассмотрим кое-какие неочевидные особенности симметричного мультипроцессирования.
Ядро в роли арбитра
Так кто же определяет, который из потоков должен выполняться в данный момент времени? Этим занимается ядро.
Ядро определяет, который из потоков должен использовать процессор в данный момент времени и переключает контекст на этот поток. Давайте посмотрим, что ядро при этом делает с процессором.
Процессор имеет несколько регистров (точное их число зависит от принадлежности процессора к серии, например, сравните процессор x86 с процессором MIPS, а характерный представитель серии, например, процессор 80486 — с процессором Pentium). В тот момент, когда поток выполняется, информация о нем хранится в указанных регистрах (например, данные о размещении программы в памяти).
Когда же ядро принимает решение о том, что должен выполняться другой поток, оно должно сделать следующее:
1. Сохранить текущее состояние регистров активного потока и другую контекстную информацию.
2. Записать в регистры информацию для нового потока, а также загрузить новый контекст.
Как ядро принимает решение о том, что должен выполняться другой поток? Оно анализирует, действительно ли в данный момент времени данный поток готов к использованию процессора. Когда мы обсуждали, например, мутексы, мы говорили о состояниях блокировки (это происходило в тех случаях, когда поток пытался завладеть мутексом, уже принадлежащим другому потоку, и поэтому блокировался). Таким образом, с точки зрения ядра мы имеем один поток, который может использовать процессор, и другой поток, которые не может этого делать, потому что он заблокирован в ожидании мутекса. В этом случае ядро предоставляет процессор потоку, который готов к работе, а другой поток заносит в свой внутренний список (чтобы можно было отслеживать отслеживал запрос потока на мутекс).
Очевидно, это не очень-то интересная ситуация. Предположим, что готовы к выполнению сразу несколько потоков. Вспомним, не мы ли делегировали доступ к мутексу на основе приоритета и продолжительности ожидания? Ядро тоже использует подобную схему для определения того, который из потоков должен работать следующим. При этом играют роль два фактора: приоритет и дисциплина диспетчеризации. Рассмотрим их по очереди.
Рассмотрим два готовых к выполнению потока. Если эти поток имеют различные приоритеты, то весьма прост — ядро отдает процессор потоку с высшим приоритетом. Приоритеты в QNX/ Neutrino пронумерованы от единицы (самый низкий) и далее, в единичным дискретом — так же, как это было упомянуто в обсуждении получения мутекса. Заметьте, что нулевой приоритет использовать нельзя — он зарезервирован для «холостого» (idle) потока (на профессиональном жаргоне часто называемого «холодильником» — <sched.h>. В данной книге мы будем предполагать, что приоритет 1 является самым низким, а 63 самым высоким.
Если другой поток с более высоким приоритетом вдруг становится готов к выполнению, ядро немедленно переключит контекст на поток с более высоким приоритетом. Это называется
Теперь предположим, что не один, а два потока готовы к выполнению и имеют один и тот же приоритет.
Предположим, что в данное время выполняется один из потоков, Рассмотрим правила, которые используются ядром при принятии решения о переключении контекста в такой ситуации. (Разумеется, все это обсуждение в действительности применимо только к потокам с одинаковыми приоритетами — как только будет готов к выполнению поток с высшим приоритетом, процессор будет отдан ему. В этом вся суть приоритетов в операционной системе реального времени.)
Ядро QNX/Neutrino поддерживает две дисциплины диспетчеризации: карусельную, она же RR (Round Robin), и FIFO (First In — First Out).
При диспетчеризации FIFO процессор предоставляется потоку на столько времени, сколько ему необходимо. Это означает, что если один поток занят длительными вычислениями, и никакой другой поток с более высоким приоритетом не готов к выполнению, то этот поток потенциально может выполняться
Если работающий поток завершает свою работу или добровольно уступает процессор, ядро анализирует состояние других потоков того же самого приоритета на готовность их к выполнению. Если таковых не имеется, то ядро анализирует потоки с более низким приоритетом, готовые к выполнению. Заметьте, что выражение «добровольно уступить процессор» может означать одну из двух возможных ситуаций. Если поток переходит в режим ожидания, блокируется на семафоре, и т.д., тогда —
На рисунке, приведенном ниже, мы видим три потока, размещенных в двух различных процессах:
Три потока в двух различных процессах.
Если мы предположим, что потоки «А» и «В» находятся в состоянии READY («готов»), что поток «С» блокирован (возможно, в ожидании мутекса), а другой поток «D» (не показан) в настоящее время выполняется, то очередь готовности, которую поддерживает ядро QNX/Neutrino, будет выглядеть следующим образом:
Два потока в очереди готовности, один блокирован, один выполняется.
На рисунке иллюстрируется внутренняя очередь готовности, которую использует ядро при принятии решения о том, кого запланировать на выполнение следующим. Заметьте, что поток «С» не находится в очереди готовности, потому что он блокирован, и поток «D» также не находится в этой очереди, потому что он уже выполняется.
Дисциплина RR (карусельная диспетчеризация) аналогична дисциплине диспетчеризации FIFO, за исключением того, что поток не будет работать бесконечно, если имеется другой поток с тем же самым приоритетом. Поток будет работать только в течение предопределенного кванта времени (который фиксирован и не может быть изменен). Вы можете узнать величину кванта времени, используя функцию
Когда ядро запускает на обработку поток с дисциплиной диспетчеризации RR, оно засекает время. Если поток не блокируется в течение выделенного ему кванта времени, квант времени истечет. Тогда ядро проверяет наличие другого готового к выполнению потока с тем же самым приоритетом. Если такой поток обнаруживается, то ядро активирует его. Если такого потока нет, то ядро снова ставит на выполнение предыдущий поток (то есть ядро выделяет потоку для работы еще один квант времени).
Поделиться книгой: