Книга: Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform

Ядро в роли арбитра

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» — прим. ред.). (Если вы захотите узнать минимальное или максимальное значение приоритета, определенное для вашей системы, используйте функции sched_get_priority_min() и sched_get_priority_max() — они описаны в <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 вытеснением— поток с высшим приоритетом вытесняет поток с низшим приоритетом. Когда поток с высшим приоритетом заканчивает свою работу, и ядро переключает контекст обратно на поток с низшим приоритетом, который выполнялся ранее, мы называем это возобновлением— ядро возобновляет работу предыдущего потока.

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 вечно. А как же потоки с тем же приоритетом? Они будут заблокированы тоже. (То, что в этот же момент потоки с более низким приоритетом будут заблокированы, должно быть очевидно.)

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 — да, может выполняться поток с более низким приоритетом (как описано выше). Но существует также специальная функция sched_yield() (базированная на системном вызове SchedYield()), по которому процессор передается только другому потоку с тем же самым приоритетом — если бы был готов к выполнению поток с высшим приоритетом, у потока с низшим приоритетом все равно не было бы никаких шансов получить управление. Если поток вызывает функцию sched_yield(), но никакой другой поток с таким же самым приоритетом не готов к выполнению, первоначальный поток продолжает работу. В реальности, функция sched_yield() применяется для того, чтобы дать шанс другому потоку с таким же самым приоритетом получить доступ к процессору.

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 sched_rr_get_interval().

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).

Давайте сделаем сводку правил диспетчеризации (для одиночного процессора) и отсортируем их в порядке важности:

• только один поток может выполняться в данный момент времени;

• всегда должен выполняться поток с наивысшим авторитетом;

• поток должен работать до тех пор, пока он не блокируется иди не завершается;

• поток, диспетчеризуемый по дисциплине карусельного типа (RR), должен работать в течение выделенного ему кванта времени, после чего ядро обязано его перепланировать (при необходимости).

Для систем с несколькими процессорами, приведенные выше правила остаются такими же, за исключением того, что несколько процессоров могут одновременно выполнять несколько потоков. Порядок, в котором потоки выполняются (то есть последовательность, в которой потоки ставятся на выполнение в многопроцессорной системе), определяется точно так же, как для одиночного процессора — в любой момент времени будет выполняться готовый к выполнению поток с наивысшим приоритетом. Если существует другой готовый к выполнению поток с более высоким приоритетом, и имеется доступный процессор, то этот поток будет выполняться на следующем процессоре, и так далее. Если имеющегося числа потоков недостаточно для того, чтобы загрузить все процессоры по такому принципу, то нет проблем — «неактивные» процессоры будут выполнять «холостой» поток (его приоритет равен нулю, то есть ниже, чем приоритет любого пользовательского потока) Если для того, чтобы обработать всю очередь, недостаточно процессоров, тогда только N потоков с наивысшим приоритетом будут выполняться, где N — число доступных процессоров. Другие потоки будут готовы к выполнению, но в действительности выполняться не будут. Отметим, что вопросы диспетчеризации потоков в симметричной мультипроцессорной системе все еще исследуются, так что возможно, что этот порядок может измениться в будущем.

Схема алгоритма диспетчеризации.

Оглавление книги