8. Планирование потоков

В случае нескольких процессов, каждый из которых разделен на несколько потоков, реализуются два уровня параллелизма: на уровне потоков и на уровне процессов. Планирование в таких системах существенно зависит от того, поддерживаются ли потоки на уровне пользователя, на уровне ядра или и те и другие.

Для начала рассмотрим потоки на уровне пользователя. Поскольку ядро не знает о существовании потоков, оно выполняет обычное планирование, выбирая процесс A и предоставляя ему квант времени. Планировщик потоков внутри процесса A выбирает поток, например A1. Поскольку в случае потоков прерывания по таймеру нет, выбранный поток будет работать столько, сколько пожелает. Если он займет весь квант процесса А, ядро передаст управление другому процессу.

Когда управление снова перейдет к процессу А, поток A1 возобновит работу. Он будет продолжать потреблять все процессорное время, предоставляемое процессу А, пока не закончит свою работу. Впрочем, асоциальное поведение потока А1 на другие процессы не повлияет. Они будут продолжать получать долю процессорного времени, которую планировщик считает справедливой, независимо от того, что происходит внутри процесса А.

Теперь представим, что потокам процесса А нужно всего лишь 5 мс из отведенного кванта в 50 мс. Соответственно, каждый из них будет выполнять свою небольшую работу и возвращать процессор планировщику потоков. Это приведет к следующей цепочке: А1, A2, A3, А1, A2, A3, А1, A2, A3, А1, прежде чем управление будет передано процессу В.

В качестве алгоритма планирования для системы поддержки исполнения программ можно взять любой из уже рассмотренных нами. Наиболее часто используются алгоритмы циклического и приоритетного планирования. Единственной проблемой является отсутствие таймера, который прерывал бы затянувшуюся работу потока.

Теперь рассмотрим потоки на уровне ядра. В этой ситуации ядро выбирает следующий поток. При этом ядро не обязано принимать во внимание, какой поток принадлежит какому процессу, хотя у него есть такая возможность. Потоку предоставляется квант времени и по истечении этого кванта управление передается другому потоку. В случае кванта в 50 мс и потоков, блокирующихся через 5 мс, цепочка длиной в 30 мс может выглядеть так: А1 В1 A2 B2 A3 B3, что было невозможно в случае потоков на уровне пользователя..

Основное различие между реализацией потоков на уровне пользователя и реализацией их на уровне ядра состоит в производительности. Для переключения потоков на уровне пользователя требуется выполнение всего нескольких машинных команд. Для переключения потоков на уровне ядра нужно выполнить полное переключение контекста с заменой карты памяти и аннулированием кэша, что выполняется на несколько порядков медленнее. С другой стороны, при реализации потоков на уровне пользователя блокировка потока на устройстве ввода-вывода блокирует весь процесс, чего не случается с потоками на уровне ядра.

Поскольку ядро знает, что на переключение от потока процесса А к потоку процесса В будет затрачено больше ресурсов, чем на передачу управления следующему потоку процесса А (из-за карты памяти и кэша), эта информация может учитываться при принятии решения планирования. Например, при наличии двух одинаково важных потоков, один из которых принадлежит тому же процессу, что и только что блокированный поток, а второй – другому процессу, предпочтение будет отдано первому потоку.

Еще одним важным фактором является возможность совместного использования потоков на уровне пользователя и специализированного планировщика потоков. Рассмотрим, например, web-сервер. Пусть один рабочий поток только что заблокирован, а диспетчер и два оставшихся рабочих потока находятся в состоянии готовности. Который из них будет запущен? Система поддержки исполнения программ, которая обладает информацией о задаче каждого потока, выберет следующим диспетчера, чтобы он запустил следующий рабочий поток. Подобная стратегия увеличивает степень параллелизма в среде, где рабочие потоки часто блокируются на обращениях к диску. В случае потоков на уровне ядра оно не знает, чем занимается каждый поток (хотя у них могут быть разные приоритеты). В целом специализированные планировщики потоков лучше управляют приложениями, чем ядро.