Планирование потоков

Введение

Выбор текущего потока из нескольких активных потоков, пытающихся получить доступ к процессору называется планированием. Планирование - очень важная и критичная для производительности операция, поэтому система предоставляет много рычагов для ее гибкой настройки.

Выбранный для выполнения поток работает в течение некоего периода, называемого квантом, по истечении которого поток вытесняется, то есть процессор передается другому потоку. Предполагается, что поток не знает, в какой момент он будет вытеснен. Поток также может быть вытеснен даже, если его квант еще не истек. Это происходит, когда к выполнению готов поток с более высоким приоритетом.

Процедура планирования обычно связана с весьма затратной процедурой диспетчеризации - переключением процессора на новый поток, поэтому планировщик должен заботиться об эффективном использовании процессора. Принадлежность потоков к процессу при планировании не учитывается, то есть единицей планирования в ОС Windows является именно поток. Запуск процедуры планирования удобно проиллюстрировать на упрощенной (по сравнению с диаграммой, изображенной на рис. 5.3) диаграмме состояний потока, см. рис. 6.1.

Рис. 6.1. Упрощенная диаграмма состояний потоков в ОС Windows

Наиболее важным вопросом планирования является выбор момента для принятия решения. В ОС Windows запуск процедуры планирования вызывается одним из следующих событий.

Это, во-первых, события, связанные с освобождением процессора.

(1) Завершение потока

(2) Переход потока в состояние готовности в связи с тем, что его квант времени истек

(3) Переход потока в состояние ожидания

Во-вторых, это события, в результате которых пополняется или может пополниться очередь потоков в состоянии готовности.

(4) Поток вышел из состояния ожидания

(5) Поток только что создан

(6) Деятельность текущего потока может иметь следствием вывод другого потока из состояния ожидания.

В последнем случае выведенный из состояния ожидания поток может сразу же начать выполняться, если имеет высокий приоритет.

Наконец, процедура планирования может быть запущена, если изменяется приоритет потока в результате вызова системного сервиса или самой Windows, а также если изменяется привязка (affinity) потока к процессору, из-за чего поток не может больше выполняться на текущем процессоре.

Заметим, что переключение из пользовательского режима в режим ядра (и обратно) не влияет на планирование потока, так как контекст в этом случае не меняется.

В результате операции планирования система может определить, какой поток выполнять следующим, и переключить контексты старого и нового потоков. В системе нет центрального потока планировщика. Программный код, отвечающий за планирование и диспетчеризацию, рассредоточен по ядру. В случаях 1-3 процедуры планирования работают в контексте текущего потока, который запускает программу планировщика для выбора преемника и потенциальной загрузки его контекста.

Перевод потока из состояния ожидания в состояние готовности (вариант 4) может быть следствием прерывания, свидетельствующим об окончании операции ввода-вывода. В этом случае процедура планирования может быть отложена (deffered procedure call) до окончания выполнения высокоприоритетного системного кода.

Иногда подобный переход происходит в результате деятельности другого потока, который, например, выполнил операцию up на семафоре (пример 6-го варианта). Хотя этот другой поток и может продолжить работу, он должен запустить процедуру планирования, поскольку в очереди готовности могут оказаться потоки с более высоким приоритетом. По тем же причинам планирование осуществляется в случае запуска нового потока.

Алгоритмы планирования

Приоритеты

В ОС Windows реализовано вытесняющее приоритетное планирование, когда каждому потоку присваивается определенное числовое значение - приоритет, в соответствии с которым ему выделяется процессор. Потоки с одинаковыми приоритетами планируются согласно алгоритму Round Robin (карусель). Важным достоинством системы является возможность вытеснения потоков, работающих в режиме ядра - код исполнительной системы полностью реентерабелен. Не вытесняются лишь потоки, удерживающие спин-блокировку (см. "Синхронизация потоков" ). Поэтому спин-блокировки используются с большой осторожностью и устанавливаются на минимальное время.

В системе предусмотрено 32 уровня приоритетов. Шестнадцать значений приоритетов (16-31) соответствуют группе приоритетов реального времени, пятнадцать значений (1-15) предназначены для обычных потоков, и значение 0 зарезервировано для системного потока обнуления страниц (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Приоритеты потоков

Чтобы избавить пользователя от необходимости запоминать числовые значения приоритетов и иметь возможность модифицировать планировщик, разработчики ввели в систему слой абстрагирования приоритетов. Например, класс приоритета для всех потоков конкретного процесса можно задать с помощью набора констант-параметров функции SetPriorityClass, которые могут иметь следующие значения:

• реального времени ( REALTIME_PRIORITY_CLASS ),
• высокий ( HIGH_PRIORITY_CLASS ),
• выше нормы ( ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS ),
• нормальный ( NORMAL_PRIORITY_CLASS ),
• ниже нормы ( BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS )
• и неработающий ( IDLE_PRIORITY_CLASS ).

Относительный приоритет потока устанавливается аналогичными параметрами функции SetThreadPriority:

Совокупность из шести классов приоритетов процессов и семи классов приоритетов потоков образует 42 возможные комбинации и позволяет сформировать так называемый базовый приоритет потока (см. таб. 6.1).

Базовый приоритет процесса и первичного потока по умолчанию равен значению из середины диапазонов приоритетов процессов (24, 13, 10, 8, 6 или 4). Смена приоритета процесса влечет за собой смену приоритетов всех его потоков, при этом их относительные приоритеты остаются без изменений.

Приоритеты с 16 по 31 в действительности приоритетами реального времени не являются, поскольку в рамках поддержки мягкого реального времени, которая реализована в ОС Windows, никаких гарантий относительно сроков выполнения потоков не дается. Это просто более высокие приоритеты, которые зарезервированы для системных потоков и тех потоков, которым такой приоритет дает пользователь с административными правами. Тем не менее, наличие приоритетов реального времени, а также вытесняемость кода ядра, локализация страниц памяти (см. "Функционирование менеджера памяти" ) и ряд дополнительных возможностей - все это позволяет выполнять в среде ОС Windows приложения мягкого реального времени, например, мультимедийные. Системный поток с нулевым приоритетом занимается обнулением страниц памяти. Обычные пользовательские потоки могут иметь приоритеты от 1 до 15.