Вытесняющая многозадачность
Все вышесказанное подводит нас к идее вызывать ThreadSwitch не из пользовательской программы, а каким-то иным способом. Например, поручить вызов такой функции прерыванию от системного таймера. Тогда мы получим следующую схему.
- Каждой нити выделяется квант времени.
- Если нить не освободила процессор в течение своего кванта, ее снимают и переставляют в конец очереди. При этом все готовые к исполнению нити более или менее равномерно получают управление.
Этот механизм, называемый time slicing или разделение времени, реализован в микрокоде транспьютера и практически во всех современных ОС. Общим названием для всех методов переключения нитей по инициативе системы является термин вытесняющая (preemptive) многозадачность. Таким образом, вытесняющая многозадачность противопоставляется кооперативной, в которой переключение происходит только по инициативе самой задачи. Разделение времени является частным случаем вытесняющей многозадачности. В системах с приоритетами, вытеснение текущей задачи происходит не только по сигналам таймера, но и в случае, когда по каким-то причинам (чаше всего из-за внешнего события) активизируется процесс, с приоритетом выше, чем у текущего.
При этом вопрос выбора кванта времени является нетривиальной проблемой. С одной стороны, чрезмерно короткий квант приведет к тому, что большую часть времени система будет заниматься переключением потоков. С другой стороны, в интерактивных системах или системах реального времени слишком большой квант приведет к недопустимо большому времени реакции.
В системе реального времени мы можем объявить нити, которым надо быстро реагировать, высокоприоритетными и на этом успокоиться. Однако нельзя так поступить с интерактивными программами в многопользовательской или потенциально многопользовательской ОС, как UNIX на настольной машине х86 или Sun.
Из психологии восприятия известно, что человек начинает ощущать задержку ответа при величине этой задержки около 100 мс. Поэтому в системах разделенного времени, рассчитанных на интерактивную работу, квант обычно выбирают равным десяткам миллисекунд. В старых системах, ориентированных на пакетную обработку вычислительных задач, таких как ОС ДИСПАК на БЭСМ-6, квант мог достигать десятых долей секунды или даже секунд. Это повышает эффективность системы, но делает невозможной или, по крайней мере, неудобной – интерактивную работу. Многие современные системы подбирают квант времени динамически для разных классов планирования и приоритетов процесса.
Системы реального времени обычно имеют два класса планирования – реального и разделенного времени. Класс планирования, как правило, дается не отдельным нитям, а целиком процессам. Процессы реального времени не прерываются по сигналам таймера и могут быть вытеснены только активизацией более приоритетной нити реального времени. Нити реального времени высочайшего приоритета фактически работают в режиме кооперативной многозадачности. Зато нити процессов разделенного времени вытесняются и друг другом по сигналам таймера, и процессами реального времени по мере их активизации.
Вытесняющая многозадачность имеет много преимуществ, но если мы про сто будем вызывать описанный в предыдущем разделе ThreadSwitch по прерываниям от таймера или другого внешнего устройства, то такое переключение будет непоправимо нарушать работу прерываемых нитей.
Действительно, пользовательская программа может использовать какой-тл из регистров, который не сохраняется при обычных вызовах. Поэтому, например, обработчики аппаратных прерываний сохраняют в стеке все используемые ими регистры. Кстати, если наша функция ThreadSwitch будет сохранять в стеке все регистры, то произойдет именно то, чего мы хотим. ThreadSwitch вызывается по прерыванию, сохраняет регистры текущей нити в текущем стеке, переключается на стек новой нити, восстанавливает из ее стека ее регистры, и новая нить получает управление так, будто и не теряла его.
Полный набор регистров, которые нужно сохранить, чтобы нить не заметила переключения, называется контекстом нити или, в зависимости от принятой в конкретной ОС терминологии, контекстом процесса. К таким регистрам, как минимум, относятся все регистры общего назначения, указатель стека, счетчик команд и слово состояния процессора. Если система использует виртуальную память, то в контекст входят также регистры диспетчера памяти, управляющие трансляцией виртуального адреса (пример 8.3).
Пример 8.3. Функция переключения контекста в ядре Linux/x86.
/* Фрагмент файла \arch\i386\kernel\process.c. * Сохранение и восстановление регистров общего назначения * и сегментных регистров CS, DS и S3 осуществляется при входе в ядре *и при выходе из него соответственно. */ /* * switch_to(х,у) должна переключать задачи с х на у * * Мы используем fsave/fwait, поэтому исключения [сопроцессора] * сбрасываются в нужный момент времени (пока вызов со стороны * fsave или fwait обрабатывается), и не могут быть посланы * другому процессу. Отложенное сохранение FP более не имеет * смысла на современных ЦПУ и это многое упрощает (SMP и UP * [uniprocessor, однопроцессорная конфигурация] теперь * обрабатываются одинаково). Раньше мы использовали аппаратное переключение * контекста. Причина, по которой мы больше так не делаем * становится очевидна, когда мы пытаемся аккуратно восстановиться * из сохраненного состояния, которое стало недопустимым * (в частности, висящие ссылки в сегментных регистрах). * При использовании аппаратного переключения контекста нет способа * разумным образом выйти из плохого состояния [контекста]. * * То, что Intel документирует аппаратное переключение контекста как * медленное – откровенная ерунда, этот код не дает заметного ускорения. * Однако здесь есть некоторое пространство для улучшения, поэтому * вопросы производительности могут рано или поздно оказаться актуальны. * [В данном случае], однако, нам важнее, что наша реализация * обеспечивает большую гибкость.