Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Забегая вперед, сообщим, что в приведенном коде приложения сделано жалкое подобие имитации наследования приоритета: в качестве ассоциированного с сигналом реального времени значения передается значение приоритета отправителя, которое тут же устанавливается как приоритет для выполнения кода обработчика. Однако слабость в отношении истинного наследования состоит здесь в том, что два первых оператора (сохранение и установка приоритета) выполняются под приоритетом родителя, и в это время обработчик может быть вытеснен диспетчером системы.

Завершение процесса

С завершением процесса дело обстоит достаточно просто, по крайней мере, в сравнении с тем, что происходит при завершении потока, как это и будет показано очень скоро. Процесс завершается, если программа выполняет вызов exit() или выполнение просто доходит до точки завершения функции main(), будь то с явным указанием оператора return или без оного. Это естественный, внутренний (из программного кода самого процесса) путь завершения.

Другой путь — посылка процессу извне (из другого процесса) сигнала, реакцией на который (предопределенной или установленной) является завершение процесса (подробнее о сигналах и реакциях см. ниже). В противовес естественному завершению такое принудительное завершение извне в [12] (по крайней мере, в отношении потоков) названо отменой, и именно этим термином мы будем пользоваться далее, чтобы отчетливо отмечать, о каком варианте завершения идет речь. (Такая же терминология будет использоваться нами и относительно завершения потока.)

Здесь уместно сделать краткое отступление относительно «живучести», как это названо у У. Стивенса [2], или времени жизни объектов IPC, что в равной мере может быть отнесено не только к объектам IPC, но и ко всем прочим объектам операционной системы. У. Стивенс делит все объекты по времени жизни на:

• Объекты, время жизни которых определяется процессом (process-persistent). Такой объект существует до тех пор, пока не будет закрыт последним процессом, который его использует. Примерами такого объекта являются неименованные и именованные программные каналы (pipes, FIFO).

• Объекты, время жизни которых определяется ядром системы (kernel-persistent). Такой объект существует до перезагрузки ядра или явного удаления объекта. Примерами этого класса объектов являются семафоры (именованные) и разделяемая память.

• Объекты, время жизни которых определяется файловой системой (filesystem-persistent). Такой объект отображается на файловую систему и существует до тех пор, пока не будет явно удален. Примерами этого класса объектов в различных ОС в зависимости от реализации могут быть очереди сообщений POSIX, семафоры и разделяемая память.

Квалификация каждого из объектов по времени жизни отнюдь не тривиальная задача. Объекты, отнесенные к одному классу, мигрируют в другой при переходе от одной ОС к другой в зависимости от деталей их реализации.

Проблемы завершения и особенно отмены процесса могут возникать, если процесс оперирует с объектами, время жизни которых превышает process-persistent. Мы еще много раз коснемся этой проблемы при рассмотрении завершения потоков, так как там она может возникать и в отношении всех process-persistent-объектов, и для ее разрешения в технике потоков даже предложены специальные технологии, о которых мы детально поговорим далее, при рассмотрении потоков.

Соображения производительности

Интересны не только затраты на порождение нового процесса (мы еще будем к ним неоднократно возвращаться), но и то, насколько «эффективно» сосуществуют параллельные процессы в ОС, насколько быстро происходит переключение контекста с одного процесса на другой. Для самой грубой оценки этих затрат создадим простейшее приложение (файл p5.cc):

#include <stdlib.h>

#include <inttypes.h>

#include <iostream.h>

#include <unistd.h>

#include <sched.h>

#include <sys/neutrino.h>

int main(int argc, char* argv[]) {

 unsigned long N = 1000;

 if (argc > 1 && atoi(argv[1]) > 0)

 N = atoi(argv[1]);

 pid_t pid = fork();

 if (pid == -1)

  cout << "fork error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

 uint64_t t = ClockCycles();

 for (unsigned long i = 0; i < N; i++) sched_yield();

 t = ClockCycles() - t;

 delay(200);

 cout << pid << "t: cycles - " << t << "; on sched - " << (t/N) / 2 << endl;

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Два одновременно выполняющихся процесса настолько симметричны и идентичны, что они даже не анализируют PID после выполнения fork(), они только в максимальном темпе «перепасовывают» друг другу активность, как волейболисты делают это с мячом (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Симметричное взаимодействие потоков

Рисунок 2.2 иллюстрирует взаимодействие двух идентичных процессов: вся их «работа» состоит лишь в том, чтобы как можно быстрее передать управление партнеру. Такую схему, когда два и более как можно более идентичных потоков или процессов в максимально высоком темпе (на порядок превосходящем последовательность «естественной» RR-диспетчеризации) обмениваются активностью, мы будем неоднократно использовать в дальнейшем для различных механизмов, называя ее для простоты «симметричной схемой».

Чтобы максимально упростить код приложения, при его написании мы не трогали события «естественной» диспетчеризации, имеющие место при RR-диспетчеризации каждые 4 системных тика (по умолчанию это ~4 миллисекунды). Как сейчас покажут результаты, события принудительной диспетчеризации происходят с периодичностью порядка 1 микросекунды, т.e. в 4000 раз чаще, и возмущения, возможно вносимые RR-диспетчеризацией, можно считать не настолько существенными.

Вот результаты выполнения этой программы:

# nice -n-19 p5 1000000

1069102 : cycles - 1234175656; on sched — 617

0       : cycles - 1234176052; on sched - 617

# nice -n-19 p5 100000

1003566 : cycles - 123439225; on sched — 617

0       : cycles - 123440347; on sched - 617

# nice -n-19 p5 10000

1019950 : cycles - 12339084; on sched — 616

0       : cycles - 12341520; on sched - 617

# nice -n-19 p5 1000

1036334 : cycles - 1243117; on sched — 621

0       : cycles - 1245123; on sched - 622

# nice -n-19 p5 100

1052718 : cycles - 130740; on sched — 653

0       : cycles - 132615; on sched - 663

Видна на удивление устойчивая оценка, практически не зависящая от общего числа актов диспетчеризации, изменяющегося на 4 порядка.

Отбросив мелкие добавки, привносимые инкрементом и проверкой счетчика цикла, можно считать, что передача управления от процесса к процессу требует порядка 600 циклов процессора (это порядка 1,2 микросекунды на компьютере 533 МГц, на котором выполнялся этот тест).

Потоки

Последующие расширения[14] POSIX специфицируют широкий спектр механизмов «легких процессов» — потоков (группа API pthread_*()). Техника потоков вводит новую парадигму программирования вместо уже ставших традиционными UNIX-методов. Это обстоятельство часто недооценивается. Например, использование pthread_create() вместо fork() может на порядки повысить скорость реакций, особенно в ОС с отсутствием механизмов COW (copy on write) при создании дубликатов физических страниц RAM сегментов данных (таких как QNX, хотя механизмы COW вряд ли вообще применимы в ОС реального времени) [4]. Другой пример: использование множественных потоков вместо ожиданий на множестве дескрипторов в операторе select().

Однако очень часто эти две парадигмы, традиционная и потоковая, не сочетаются в рамках единого кода из-за небезопасности (not thread safe) традиционных механизмов UNIX (fork(), select() и др.) в многопоточной среде. Тогда приходится использовать либо одну, либо другую парадигму как альтернативы, не смешивая их между собой. Или смешивать, но с большой осторожностью и с хорошим пониманием того, что при этом может произойти в каждом случае.

Поток можно понимать как любой автономный последовательный (линейный) набор команд процессора. Источником этого линейного кода для потока могут служить:

• бинарный исполняемый файл, на основе которого системой или вызовом группы spawn() запускается новый процесс и создается его главный поток;

• дубликат кода главного потока[15] процесса родителя при клонировании процессов вызовом fork() (тоже относительно главного потока);

• участок кода, оформленный функцией специального типа (void*()(void*)); это общий случай при создании второго и всех последующих потоков процесса (при создании многопоточных процессов) вызовом pthread_create(). Такую функцию мы будем называть функцией потока. Это наиболее интересный для нас случай.