Телевизор 

Как работают потоки в процессоре. Операционные системы

  • Tutorial

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).

Предупреждение о знаках ®, ™, в статье

Мой объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

Процессор

Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин - это «процессор».

В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.

Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.


К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS

Ядро

Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.

В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.


Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.

Гиперпоток

До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология - гипертреды или гиперпотоки, - Intel® HyperThreading (далее HT).

Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

Ограничения потоков
В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это - частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение - здесь нужны «честные» ядра.

Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.

Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.

Логический процессор

Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?

Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.

Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.


Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?


Linux top показывает 4 логических процессора.

Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.

Программное определение топологии

Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.

Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :

Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».

APIC ID
Local APIC (advanced programmable interrupt controller) - это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) - для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .

В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей
Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два - внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня - гиперпоток, ядро или процессор, - в ECX.

У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.

Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.

Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .

Операционные системы и топология

Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.

В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid" processor: 0 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 0 initial apicid: 0 processor: 1 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 1 initial apicid: 1 processor: 2 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 2 initial apicid: 2 processor: 3 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 3 initial apicid: 3

В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec kern.sched.topology_spec: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1 THREAD groupSMT group 2, 3 THREAD groupSMT group 4, 5 THREAD groupSMT group 6, 7 THREAD groupSMT group

В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.

Это четвертая статья из серии "Преодолевая границы Windows", в рамках которой я рассказываю об ограничениях, существующих для фундаментальных ресурсов в Windows. На сей раз, я собираюсь обсудить с вами ограничение на максимальное количество потоков и процессов, поддерживаемое Windows. Здесь я кратко опишу различие между потоком и процессом, ограничение потока опроса (от англ. survey thread), после чего мы поговорим об ограничениях, связанных с процессами. В первую очередь я решил рассказать об ограничениях потоков, так как каждый активный процесс имеет, по крайней мере, один поток (процесс, который завершился, но ссылка на который хранится в обработчике, предоставленном другим процессом, не имеет ни одного потока), так что ограничения процессов напрямую зависят от основных ограничений, связанных с потоками.

В отличие от некоторых вариантов UNIX, большинство ресурсов Windows не имеют фиксированного ограничения, заложенного в операционную систему на этапе сборки, а скорее получают ограничения на основании имеющихся в распоряжении ОС базовых ресурсов, о которых я рассказывал ранее. Процессы и потоки, например, требуют для себя физической памяти, виртуальной памяти и памяти пула, так что число процессов и потоков, которые могут быть созданы на данной системе Windows, в конечном счете, определяется одним из этих ресурсов, в зависимости от того, каким образом эти процессы или потоки были созданы и какое из ограничений базовых ресурсов будет достигнуто первым. Поэтому я рекомендую вам, чтобы вы прочитали мои предыдущие статьи, если вы до сих пор этого не сделали, потому что далее я буду обращаться к таким понятиям, как зарезервированная память, выделенная память и системное ограничение памяти, о которых я говорил в предыдущих своих статьях:

Процессы и потоки
Процесс Windows по своей сути является контейнером, в котором хранится код команд из исполняемого файла. Он представляет собой объект процесса ядра и Windows использует этот объект процесса и связанные с ним структуры данных для хранения и сопровождения информации об исполняемом коде приложения. Например, процесс имеет виртуальное адресное пространство, в котором хранятся его частные и общие данные и в которое отображаются исполняемый образ и связанные с ним библиотеки DLL. Windows с помощью инструментов диагностики записывает информацию об использовании процессом ресурсов для обеспечения учета и выполнения запросов и регистрирует ссылки процесса на объекты операционной системы в таблице дескриптора процесса. Процессы работают с контекстом безопасности, именуемом маркером, который идентифицирует учетную запись пользователя, группы учетной записи и привилегии, назначенные процессу.

Процесс включает в себя один или более потоков, которые фактически выполняют код в процессе (технически, выполняются не процессы, а потоки) и представлены в системе в виде объектов потоков ядра. Есть несколько причин, почему приложения создают потоки в дополнение к их исходному начальному потоку: 1) процессы, обладающие пользовательским интерфейсом, обычно создают потоки для того, чтобы выполнять свою работу и при этом сохранять отзывчивость основного потока к командам пользователя, связанными с вводом данных и управлением окнами; 2) приложения, которые хотят использовать несколько процессоров для масштабирования производительности или же которые хотят продолжать работать, в то время как потоки останавливают свою работу, ожидая синхронизации операций ввода/вывода, создают потоки, чтобы получить дополнительную выгоду от многопоточной работы.

Ограничения потоков
Помимо основной информации о потоке, включая данные о состоянии регистров ЦП, присвоенный потоку приоритет и информацию об использовании потоком ресурсов, у каждого потока есть выделенная ему часть адресного пространства процесса, называемая стеком, которую поток может использовать как рабочую память по ходу исполнения кода программы, для передачи параметров функций, хранения локальных переменных и адресов результатов работы функций. Таким образом, чтобы избежать нерациональной траты виртуальной памяти системы, первоначально распределяется только часть стека, или же часть ее передается потоку, а остаток просто резервируется. Поскольку стеки в памяти растут по нисходящей, система размещает так называемые "сторожевые" страницы (от англ. guard pages) памяти вне выделенной части стека, которые обеспечивают автоматическое выделение дополнительной памяти (называемой расширением стека), когда она потребуется. На следующей иллюстрации показано, как выделенная область стека углубляется и как сторожевые страницы перемещаются по мере расширения стека в 32-битном адресном пространстве:

Структуры Portable Executable (PE) исполняемых образов определяют объем адресного пространства, которое резервируется и изначально выделяется для стека потока. По умолчанию компоновщик резервирует 1Мб и выделяет одну страницу (4Кб), но разработчики могут изменять эти значения либо меняя значения PE, когда они организуют связь со своей программой, либо путем вызова для отдельного потока функции CreateTread . Вы можете использовать утилиту, такую как Dumpbin , которая идет в комплекте с Visual Studio, чтобы посмотреть настройки исполняемой программы. Вот результаты запуска Dumpbin с опцией /headers для исполняемой программы, сгенерированной новым проектом Visual Studio:

Переведя числа из шестнадцатеричной системы исчисления, вы можете увидеть, что размер резерва стека составляет 1Мб, а выделенная область памяти равна 4Кб; используя новую утилиту от Sysinternals под названием MMap , вы можете подключиться к этому процессу и посмотреть его адресное пространство, и тем самым увидеть изначально выделенную страницу памяти стека процесса, сторожевую страницу и остальную часть зарезервированной памяти стека:

Поскольку каждый поток потребляет часть адресного пространства процесса, процессы имеют базовое ограничение на количество потоков, которое они могут создать, равное размеру их адресного пространства, поделенного на размер стека потока.

Ограничения 32-битных потоков
Даже если бы у процесса вообще не было ни кода, ни данных и все адресное пространство могло бы быть использовано под стеки, то 32-битный процесс с установленным по умолчанию адресным пространством в 2 б мог бы создать максимум 2048 потоков. Вот результаты работы программы Testlimit , запущенной в 32-битной Windows с параметром -t (создание потоков), подтверждающие наличие этого ограничения:

Еще раз, так как часть адресного пространства уже использовалась под код и начальную динамическую память, не все 2Гб были доступны для стеков потоков, так что общее количество созданных потоков не смогло достигнуть теоретического предела в 2048 потоков.

Я попробовал запустить Testlimit с дополнительной опцией, предоставляющей приложению расширенное адресное пространство, надеясь, что если уж ему дадут больше 2Гб адресного пространства (например, в 32-битных системах это достигается путем запуска приложения с опцией /3GB или /USERVA для Boot.ini, или же эквивалентной опцией BCD на Vista и позднее increaseuserva), оно будет его использовать. 32-битным процессам выделяется 4Гб адресного пространства, когда они запускаются на 64-битной Windows, так сколько же потоков сможет создать 32-битный Testlimit, запущенный на 64-битной Windows? Если основываться на том, что мы уже обсудили, ответ должен быть 4096 (4Гб разделенные на 1Мб), однако на практике это число значительно меньше. Вот 32-битный Testlimit, запущенный на 64-битной Windows XP:

Причина этого несоответствия кроется в том факте, что когда вы запускаете 32-битное приложение на 64-битной Windows, оно фактические является 64-битным процессом, которое выполняет 64-битный код от имени 32-битных потоков, и потому в памяти для каждого потока резервируются области под 64-битные и 32-битные стеки потоков. Для 64-битного стека резервируется 256Кб (исключения составляют ОС, вышедшие до Vista, в которых исходный размер стека 64-битных потоков составляет 1Мб). Поскольку каждый 32-битный поток начинает свое существование в 64-битном режиме и размер стека, который ему выделяется при старте, превышает размер страницы, в большинстве случаев вы увидите, что под 64-битный стек потока выделяется как минимум 16Кб. Вот пример 64-битных и 32-битных стеков 32-битного потока (32-битный стек помечен как "Wow64"):

32-битный Testlimit смог создать в 64-битной Windows 3204 потока, что объясняется тем, что каждый поток использует 1Мб + 256Кб адресного пространство под стек (повторюсь, исключением являются версии Windows до Vista, где используется 1Мб+ 1Мб). Однако, я получил другой результат, запустив 32-битный Testlimit на 64-битной Windows 7:

Различия между результатами на Windows XP и Windows 7 вызвано более беспорядочной природой схемы распределения адресного пространства в Windows Vista, Address Space Layout Randomization (ASLR), которая приводит к некоторой фрагментации. Рандомизация загрузки DLL, стека потока и размещения динамической памяти, помогает улучшить защиту от вредоносного ПО. Как вы можете увидеть на следующем снимке программы VMMap, в тестовой системе есть еще 357Мб доступного адресного пространства, но наибольший свободный блок имеет размер 128Кб, что меньше чем 1Мб, необходимый для 32-битного стека:

Как я уже отмечал, разработчик может переустановить заданный по умолчанию размер резерва стека. Одной из возможных причин для этого может быть стремление избежать напрасного расхода адресного пространства, когда заранее известно, что стеком потока всегда будет использоваться меньше, чем установленный по умолчанию 1Мб. PE-образ Testlimit по умолчанию использует размер резерва стека в 64Кб, и когда вы указываете вместе параметром -t параметр -n, Testlimit создает потоки со стеками размером в 64Кб. Вот результат работы этой утилиты на системе с 32-битной Windows XP и 256Мб RAM (я специально провел этот тест на слабой системе, что подчеркнуть данное ограничение):

Здесь следует отметить, что произошла другая ошибка, из чего следует, что в данной ситуации причиной является не адресное пространство. Фактически, 64Кб-стеки должны обеспечить приблизительно 32 000 потоков (2Гб/64Кб = 32768). Так какое же ограничение проявилось в данном случае? Если посмотреть на возможных кандидатов, включая выделенную память и пул, то никаких подсказок в нахождении ответа на этот вопрос они не дают, поскольку все эти значения ниже их пределов:

Ответ мы можем найти в дополнительной информации о памяти в отладчике ядра, который укажет нам искомое ограничение, связанное с доступной резидентной памятью, весь объем которой был исчерпан:

Доступная резидентная память - это физическая память, выделяемая для данных или кода, которые обязательно должны находиться в оперативной памяти. Размеры невыгружаемого пула и невыгружаемых драйверов высчитываются независимо от этого, также как, например, память, зарезервированная в RAM для операций ввода/вывода. У каждого потока есть оба стека пользовательского режима, об этом я уже говорил, но у них также есть стек привилегированного режима (режима ядра), который используется тогда, когда потоки работают в режиме ядра, например, исполняя системные вызовы. Когда поток активен, его стек ядра закреплен в памяти, так что поток может выполнять код в ядре, для которого нужные страницы не могут отсутствовать.

Базовый стек ядра занимает 12Кб в 32-битной Windows и 24Кб в 64-битной Windows. 14225 потоков требуют для себя приблизительно 170Мб резидентной памяти, что точно соответствует объему свободной памяти на этой системе с выключенным Testlimit:

Как только достигается предел доступной системной памяти, многие базовые операции начинают завершаться с ошибкой. Например, вот ошибка, которую я получил, дважды кликнув на ярлыке Internet Explorer, расположенном на рабочем столе:

Как и ожидалось, работая на 64-битной Windows с 256Мб RAM, Testlimit смог создать 6600 потоков - примерно половину от того, сколько потоков эта утилита смогла создать в 32-битной Windows с 256Мб RAM - до того, как исчерпалась доступная память:

Причиной, по которой ранее я употреблял термин "базовый" стек ядра, является то, что поток, который работает с графикой и функциями управления окнами, получает "большой" стек, когда он исполняет первый вызов, размер которого равен (или больше) 20Кб на 32-битной Windows и 48Кб на 64-битной Windows. Потоки Testlimit не вызывают ни одного подобного API, так что они имеют базовые стеки ядра.
Ограничения 64-битных потоков

Как и у 32-битных потоков, у 64-битных потоков по умолчанию есть резерв в 1Мб для стека, но 64-битные имеют намного больше пользовательского адресного пространства (8Тб), так что оно не должно стать проблемой, когда дело доходит до создания большого количества потоков. И все же очевидно, что резидентная доступная память по-прежнему является потенциальным ограничителем. 64-битная версия Testlimit (Testlimit64.exe) смогла создать с параметром -n и без него приблизительно 6600 потоков на системе с 64-битной Windows XP и 256Мб RAM, ровно столько же, сколько создала 32-битная версия, потому что был достигнут предел резидентной доступной памяти. Однако, на системе с 2Гб оперативной памяти Testlimit64 смог создать только 55000 потоков, что значительно меньше того количества потоков, которое могла бы создать эта утилита, если бы ограничением выступила резидентная доступная память (2Гб/24Кб = 89000):

В данном случае причиной является выделенный начальный стек потока, который приводит к тому, что в системе заканчивается виртуальная память и появляется ошибка, связанная с нехваткой объема файла подкачки. Как только объем выделенной памяти достигает размера оперативной памяти, скорость создания новых потоков существенно снижается, потому что система начинает "пробуксовывать", ранее созданные стеки потоков начинают выгружаться в файл подкачки, чтобы освободить место для стеков новых потоков, и файл подкачки должен увеличиваться. С включенным параметром -n результаты те же, поскольку таким же остается начальный объем выделенной памяти стека.

Ограничения процессов
Число процессов, поддерживаемых Windows, очевидно, должно быть меньше, чем число потоков, потому как каждый процесс имеет один поток и сам по себе процесс приводит к дополнительному расходу ресурсов. 32-битный Testlimit, запущенный на системе с 64-битной Windows XP и 2Гб системной памяти создает около 8400 процессов:

Если посмотреть на результат работы отладчика ядра, то становится понятно, что в данном случае достигается ограничение резидентной доступной памяти:

Если бы процесс использовал резидентную доступную память для размещения только лишь стека потока привилегированного режима, Testlimit смог бы создать намного больше, чем 8400 потоков на системе с 2Гб. Количество резидентной доступной памяти на этой системе без запущенного Testlimit равно 1,9Гб:

Путем деления объема резидентной памяти, используемой Testlimit (1,9Гб), на число созданных им процессов получаем, что на каждый процесс отводится 230Кб резидентной памяти. Так как 64-битный стек ядра занимает 24 Кб, мы получаем, что без вести пропали примерно 206Кб для каждого процесса. Где же остальная часть используемой резидентной памяти? Когда процесс создан, Windows резервирует достаточный объем физической памяти, чтобы обеспечить минимальный рабочий набор страниц (от англ. working set). Это делается для того, чтобы гарантировать процессу, что любой ситуации в его распоряжении будет достаточное количество физической памяти для сохранения такого объема данных, который необходим для обеспечения минимального рабочего набора страниц. По умолчанию размер рабочего набора страниц зачастую составляет 200Кб, что можно легко проверить, добавив в окне Process Explorer столбец Minimum Working Set:

Оставшиеся 6Кб - это резидентная доступная память, выделяемая под дополнительную нестраничную память (от англ. nonpageable memory), в которой хранится сам процесс. Процесс в 32-битной Windows использует чуть меньше резидентной памяти, поскольку его привилегированный стек потока меньше.

Как и в случае со стеками потока пользовательского режима, процессы могут переопределять установленный для них по умолчанию размер рабочего набора страниц с помощью функции SetProcessWorkingSetSize . Testlimit поддерживает параметр -n, который, в совокупности с параметром -p, позволяет устанавливать для дочерних процессов главного процесса Testlimit минимально возможный размер рабочего набора страниц, равный 80Кб. Поскольку дочерним процессам нужно время, чтобы сократить их рабочие наборы страниц, Testlimit, после того, как он больше не сможет создавать процессы, приостанавливает работу и пробует ее продолжить, давая его дочерним процессам шанс выполниться. Testlimit, запущенный с параметром -n на системе с Windows 7 и 4Гб RAM уже другого, отличного от ограничения резидентной доступной памяти, предела - ограничения выделенной системной памяти:

На снимке снизу вы можете увидеть, что отладчик ядра сообщает не только о том, что был достигнут предел выделенной системной памяти, но и о том, что, после достижения этого ограничения, имели место тысячи ошибок распределения памяти, как виртуальной, так и памяти, выделенной под выгружаемый пул (предел выделенной системной памяти фактически был достигнут несколько раз, так как, когда случалась ошибка, связанная с нехваткой объема файла подкачки, этот самый объем увеличивался, отодвигая это ограничение):

До запуска Testlimit средний уровень выделенного объема памяти был равен приблизительно 1,5Гб, так что потоки заняли около 8Гб выделенной памяти. Следовательно, каждый процесс потреблял примерно 8 Гб/6600 или 1,2Мб. Результат выполнения команды!vm отладчика ядра, которая показывает распределение собственной памяти (от англ. private memory) для каждого процесса, подтверждает верность данного вычисления:

Начальный объем выделенной памяти под стек потока, описанный ранее, оказывает незначительное влияние на остальные запросы на предоставление памяти, требуемой для структур данных адресного пространства процесса, записей таблицы страниц, таблицы дескрипторов, объектов процесса и потока, и собственных данных, которые процесс создает во время своей инициализации.

Сколько процессов и потоков будет достаточно?
Таким образом, ответы на вопросы "сколько потоков поддерживает Windows?" и "сколько процессов вы можете одновременно запустить на Windows?" взаимосвязаны. Помимо нюансов методов, по которым потоки определяют размер их стека и процессы определяют их минимальный рабочий набор страниц, двумя главными факторами, определяющим ответы на эти вопросы для каждой конкретной системы, являются объем физической памяти и ограничение выделенной системной памяти. В любом случае, если приложение создает достаточное количество потоков или процессов, чтобы приблизиться к этим пределам, то его разработчику следует пересмотреть проект этого приложения, поскольку всегда существуют различные способы достигнуть того же результата с разумным числом процессов. Например, основной целью при масштабировании приложения является стремление сохранить число выполняющихся потоков равным числу ЦП, и один из способов добиться этого состоит в переходе от использования синхронных операции ввода/вывода к асинхронным с использованием портов завершения, что должно помочь сохранить соответствие числа запущенных потоков с числом ЦП.

Процесс (или задача) – абстракция, описывающая выполняющуюся программу.

Для ОС процесс представляет собой единицу работы, заявку на потребление системных ресурсов. Подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, т.е. распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, а также занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает взаимодействие между процессами.

Некоторые из ресурсов выделяются процессу при его создании, а некоторые – динамически по запросам во время выполнения. Ресурсы могут быть приписаны процессу на все время его жизни или только на определенный период. При выполнении этих функций подсистема управления процессами взаимодействует с другими подсистемами ОС, ответственными за управление ресурсами, такими как подсистема управления памятью, подсистема ввода/вывода, файловая система. Когда в системе одновременно выполняется несколько независимых задач, то возникают дополнительные проблемы. Хотя процессы возникают и выполняются асинхронно, у них может возникнуть необходимость во взаимодействии, например при обмене данными. Согласование скоростей процессов также очень важно для предотвращения эффекта "гонок", когда несколько процессов пытаются изменить один и тот же файл, взаимных блокировок или других коллизий, которые возникают при совместном использовании ресурсов. Синхронизация процессов является одной из важных функций подсистемы управления процессами.

Каждый раз, когда процесс завершается, подсистема управления процессами закрывает все файлы, с которыми работал процесс, освобождает области оперативной памяти, отведенные под коды, данные и системные информационные структуры процесса. Выполняется коррекция всевозможных очередей ОС и списков ресурсов, в которых имелись ссылки на завершаемый процесс.

Чтобы поддерживать мультипрограммирование, ОС должна определить и оформить для себя те внутренние единицы работы, между которыми будет разделяться процессор и другие ресурсы компьютера. Необходимо напомнить, что мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором в памяти компьютера находится несколько программ, попеременно выполняющихся на одном процессоре.

В настоящее время в большинстве ОС определены два типа единиц работы. Более крупная единица работы, обычно носящая название процесса, или задачи, требует для своего выполнения нескольких более мелких работ, для обозначения которых используют термины "поток", или "нить".

Очевидно, что любая работа вычислительной системы заключается в выполнении некоторой программы. Поэтому и с процессом, и с потоком связывается определенный программный код, который для этих целей оформляется в виде исполняемого модуля. Чтобы этот программный код мог быть выполнен, его необходимо загрузить в оперативную память, возможно, выделить некоторое место на диске для хранения данных, предоставить доступ к устройствам ввода/вывода, например последовательному порту. В ходе выполнения программе может также понадобиться доступ к ИР, например файлам. И, конечно же, невозможно выполнение программы без предоставления ей процессорного времени , т.е. времени, в течение которого процессор выполняет коды данной программы.

В системах, где существуют и процессы, и потоки, процесс рассматривается ОС как заявка на потребление всех видов ресурсов, кроме одного – процессорного времени. Этот последний важнейший ресурс распределяется ОС между другими единицами работы – потоками, которые и получили свое название благодаря тому, что они представляют собой последовательности (потоки выполнения) команд.

В простейшем случае процесс состоит из одного потока, и именно таким образом трактовалось понятие "процесс" до середины 1980-х гг., и в таком же виде оно сохранилось в некоторых современных ОС. В системах этого вида понятие "поток" полностью поглощается понятием "процесс", т.е. остается только одна единица работы и потребления ресурсов – процесс. Мультипрограммирование осуществляется в таких ОС на уровне процессов.

Существует три основных состояния процесса: "готов", "выполняется", "блокирован".

В однопроцессорной системе только один процесс может быть в стадии выполнения. В это же время может быть несколько готовых и заблокированных процессов, ожидающих появления некоторых событий (например, ввода/вывода). При этом список готовых процессов упорядочен по приоритетам.

Чтобы процессы не могли вмешаться в распределение ресурсов, а также повредить коды и данные друг друга, ОС требуется решить важнейшую задачу – изолировать один процесс от другого.

Для этого ОС обеспечивает каждый процесс отдельным виртуальным адресным пространством, так что ни один процесс не может получить прямого доступа к командам и данным другого процесса.

Виртуальное адресное пространство процесса – это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса.

Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

При необходимости взаимодействия процессы обращаются к ОС, которая, выполняя функции посредника, предоставляет им средства межпроцессной связи – конвейеры, почтовые ящики, разделяемые секции памяти и некоторые другие.

Однако в системах, в которых отсутствует понятие потока, возникают проблемы при организации параллельных вычислений в рамках процесса. А такая необходимость может возникать. Действительно, при мультипрограммировании повышается пропускная способность системы, но отдельный процесс никогда не может быть выполнен быстрее, чем в однопрограммном режиме (всякое разделение ресурсов только замедляет работу одного из участников за счет дополнительных затрат времени на ожидание освобождения ресурса). Однако приложение, выполняемое в рамках одного процесса, может обладать внутренним параллелизмом, который в принципе мог бы позволить ускорить его решение. Если, например, в программе предусмотрено обращение к внешнему устройству, то на время этой операции можно не блокировать выполнение всего процесса, а продолжить вычисления по другой ветви программы. Параллельное выполнение нескольких работ в рамках одного интерактивного приложения повышает эффективность работы пользователя. Так, при работе с текстовым редактором желательно иметь возможность совмещать набор нового текста с такими продолжительными по времени операциями, как переформатирование значительной части текста, печать документа или его сохранение на локальном или удаленном диске.

Потоки возникли в ОС как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Во-первых, прикладной программист может взять на себя сложную задачу организации параллелизма, выделив в приложении некоторую подпрограмму-диспетчер, которая периодически передает управление той или иной ветви вычислений. При этом программа получается логически весьма запутанной, с многочисленными передачами управления, что существенно затрудняет ее отладку и модификацию.

Во-вторых, решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что эти процессы решают единую задачу, а значит, имеют много общего между собой – они могут работать с одними и теми же данными, использовать один и тот же кодовый сегмент, наделяться одними и теми же правами доступа к ресурсам вычислительной системы.

В ОС наряду с процессами нужен другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения.

Для этих целей современные ОС предлагают механизм многопоточной обработки (multithreading). При этом вводится новая единица работы – поток выполнения, а понятие "процесс" в значительной степени меняет смысл. Понятию "поток" соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой. Операционная система распределяет процессорное время между потоками. Процессу ОС назначает адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками.

В однопрограммных системах не возникает необходимости введения понятия, обозначающего единицу работы, так как там не существует проблемы разделения ресурсов.

Создание потоков требует от ОС меньших накладных расходов, чем процессы. В отличие от процессов, которые принадлежат разным конкурирующим приложениям, все потоки одного процесса всегда принадлежат одному приложению, поэтому ОС изолирует потоки в гораздо меньшей степени, нежели процессы в традиционной мультипрограммной системе. Все потоки одного процесса используют общие файлы, таймеры, устройства, одну и ту же область оперативной памяти, одно и то же адресное пространство. Это означает, что они разделяют одни и те же глобальные переменные. Поскольку каждый поток может иметь доступ к любому виртуальному адресу процесса, один поток может использовать стек другого потока. Между потоками одного процесса нет полной защиты, потому что, во-первых, это невозможно, а во-вторых, не нужно. Чтобы организовать взаимодействие и обмен данными, потокам вовсе не требуется обращаться к ОС, им достаточно использовать общую память – один поток записывает данные, а другой читает их. С другой стороны, потоки разных процессов по-прежнему хорошо защищены друг от друга.

Мультипрограммирование более эффективно на уровне потоков, а не процессов. Каждый поток имеет собственный счетчик команд и стек. Задача, оформленная в виде нескольких потоков в рамках одного процесса, может быть выполнена быстрее за счет псевдопа- раллельного (или параллельного в мультипроцессорной системе) выполнения ее отдельных частей. Особенно эффективно можно использовать многопоточность для выполнения распределенных приложений, например многопоточный сервер может параллельно выполнять запросы сразу нескольких клиентов.

Использование потоков связано не только со стремлением повысить производительность системы за счет параллельных вычислений, но и с целью создания более читабельных, логичных программ. Введение нескольких потоков выполнения упрощает программирование. Например, в задачах типа "писатель-читатель" один поток выполняет запись в буфер, а другой считывает записи из него. Поскольку они разделяют общий буфер, не стоит их делать отдельными процессами. Другой пример использования потоков – управление сигналами, такими как прерывание с клавиатуры (Del или Break). Вместо обработки сигнала прерывания один поток назначается для постоянного ожидания поступления сигналов. Таким образом, использование потоков может сократить необходимость в прерываниях пользовательского уровня. В этих примерах не столь важно параллельное выполнение, сколь ясность программы.

Наибольший эффект от введения многопоточной обработки достигается в мультипроцессорных системах, в которых потоки, в том числе и принадлежащие одному процессу, могут выполняться на разных процессорах действительно параллельно (а не псевдопараллельно).

Создать процесс прежде всего означает создать описатель процесса, в качестве которого выступает одна или несколько информационных структур, содержащих все сведения о процессе, необходимые ОС для управления им. В число таких сведений могут входить, например, идентификатор процесса, данные о расположении в памяти исполняемого модуля, степень привилегированности процесса (приоритет и права доступа) и т.п.

Примерами описателей процесса являются блок управления задачей (Task Control Block – ТСВ) в OS/360, управляющий блок процесса (Process Control Block – РСВ) в OS/2, дескриптор процесса в UNIX, объект-процесс (object-process) в Windows NT.

Создание описателя процесса знаменует собой появление в системе еще одного претендента на вычислительные ресурсы. Начиная с этого момента при распределении ресурсов ОС должна принимать во внимание потребности нового процесса.

Создание процесса включает в себя загрузку кодов и данных исполняемой программы данного процесса с диска в оперативную память. Для этого ОС должна обнаружить местоположение такой программы на диске, перераспределить оперативную память и выделить память исполняемой программе нового процесса. Затем необходимо считать программу в выделенные для нее участки памяти и, возможно, изменить параметры программы в зависимости от размещения в памяти.

В системах с виртуальной памятью в начальный момент может загружаться только часть кодов и данных процесса, с тем чтобы "подкачивать" остальные по мере необходимости. Существуют системы, в которых на этапе создания процесса не требуется непременно загружать коды и данные в оперативную память, вместо этого исполняемый модуль копируется из того каталога файловой системы, в котором он изначально находился, в область подкачки – специальную область диска, отведенную для хранения кодов и данных процессов. При выполнении всех этих действий подсистема управления процессами тесно взаимодействует с подсистемой управления памятью и файловой системой.

В многопоточной системе при создании процесса ОС создает для каждого процесса как минимум один поток выполнения. При создании потока так же, как и при создании процесса, ОС генерирует специальную информационную структуру – описатель потока, который содержит идентификатор потока, данные о правах доступа и приоритете, состоянии потока и другую информацию. В исходном состоянии поток (или процесс, если речь идет о системе, в которой понятие "поток" не определяется) находится в приостановленном состоянии. Момент выборки потока на выполнение осуществляется в соответствии с принятым в данной системе правилом предоставления процессорного времени и с учетом всех существующих в данный момент потоков и процессов. В случае если коды и данные процесса находятся в области подкачки, необходимым условием активизации потока процесса является также наличие места в оперативной памяти для загрузки его исполняемого модуля.

Во многих системах поток может обратиться к ОС с запросом на создание так называемых потоков потомков. В разных ОС по-разному строятся отношения между потоками потомков и их родителями. Например, в одних ОС выполнение родительского потока синхронизируется с его потомками, в частности после завершения родительского потока ОС может снимать с выполнения всех его потомков. В других системах потоки потомков могут выполняться асинхронно по отношению к родительскому потоку. Потомки, как правило, наследуют многие свойства родительских потоков. Во многих системах порождение потомков является основным механизмом создания процессов и потоков.

Планирование процессов включает в себя решение следующих задач:

■ определение момента времени для смены выполняемого процесса;

■ выбор процесса на выполнение из очереди готовых процессов;

■ переключение контекстов "старого" и "нового" процессов.

Первые две задачи решаются программными средствами, а последняя – в значительной степени аппаратно.

Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, по разному решающих перечисленные задачи, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на квантовании, и алгоритмы, основанные на приоритетах.

В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:

■ процесс завершился и покинул систему;

■ произошла ошибка;

■ процесс перешел в состояние "ожидание";

■ исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.

Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние "готовность" и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени.

Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода/вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По-разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел – первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел – первый обслужился" (LIFO).

В алгоритмах, основанных на приоритетах, используется понятие "приоритет" процесса.

Приоритет – это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.

Приоритет может выражаться целыми или дробными, положительным или отрицательным значениями. Чем выше привилегии процесса, тем меньше времени он будет проводить в очередях. Приоритет может назначаться директивно администратором системы в зависимости от важности работы или внесенной платы либо вычисляться самой ОС по определенным правилам, он может оставаться фиксированным на протяжении всей жизни процесса либо изменяться во времени в соответствии с некоторым законом. В последнем случае приоритеты называются динамическими.

Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.

В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По-разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах соотносительными приоритетами активный процесс выполняется, до тех пор пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние "блокировка" (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.

Во многих ОС алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и (или) порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.

Существует два основных типа процедур планирования процессов: вытесняющие (preemptive) и невытесняющие (non-preemptive).

Невытесняющая многозадачность (Non-preemptive multitasking) – это способ планирования процессов, при котором активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление планировщику ОС, для того чтобы тот выбрал из очереди другой, готовый к выполнению процесс.

Вытесняющая многозадачность (Preemptive multitasking) – это такой способ, при котором решение о переключении процессора с выполнения одного процесса на выполнение другого принимается планировщиком ОС, а не самой активной задачей.

Понятия "preemptive" и "nοn-preemptive" иногда отождествляют с понятиями приоритетных и бесприоритетных дисциплин, что совершенно неверно, а также с понятиями абсолютных и относительных приоритетов, что неверно отчасти. Вытесняющая и невытесняющая многозадачность – более широкие понятия, чем типы приоритетности. Приоритеты задач могут как использоваться, так и не использоваться и при вытесняющих, и при невытесняющих способах планирования. Так, в случае использования приоритетов дисциплина относительных приоритетов может быть отнесена к классу систем с невытесняющей многозадачностью, а дисциплина абсолютных приоритетов – к классу систем с вытесняющей многозадачностью. Бесприоритетная дисциплина планирования, основанная на выделении равных квантов времени для всех задач, относится к вытесняющим алгоритмам.

Основным различием между вытесняющим и невытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования задач. При вытесняющей многозадачности механизм планирования задач целиком сосредоточен в ОС и программист пишет свое приложение, не заботясь о том, что оно будет выполняться параллельно с другими задачами. При этом ОС выполняет следующие функции: определяет момент снятия с выполнения активной задачи, запоминает ее контекст, выбирает из очереди готовых задач следующую и запускает ее на выполнение, загружая ее контекст. При невытесняющей многозадачности механизм планирования распределен между системой и прикладными программами. Прикладная программа, получив управление от ОС, сама определяет момент завершения своей очередной итерации и передает управление ОС с помощью какого-либо системного вызова, а ОС формирует очереди задач и выбирает в соответствии с некоторым алгоритмом (например, с учетом приоритетов) следующую задачу на выполнение. Такой механизм создает проблемы как для пользователей, так и для разработчиков.

Для пользователей это означает, что управление системой теряется на произвольный период времени, который определяется приложением (а не пользователем). Если приложение тратит слишком много времени на выполнение какой-либо работы, например на форматирование диска, пользователь не может переключиться с этой задачи на другую задачу, например на текстовый редактор, в то время как форматирование продолжалось бы в фоновом режиме. Эта ситуация нежелательна, так как пользователи обычно не хотят долго ждать, когда машина завершит свою задачу. Поэтому разработчики приложений для вытесняющей операционной среды, возлагая на себя функции планировщика, должны создавать приложения так, чтобы они выполняли свои задачи небольшими частями. Например, программа форматирования может отформатировать одну дорожку дискеты и вернуть управление системе. После выполнения других задач система возвратит управление программе форматирования, чтобы та отформатировала следующую дорожку. Подобный метод разделения времени между задачами работает, но он существенно затрудняет разработку программ и предъявляет повышенные требования к квалификации программиста. Программист должен обеспечить "дружественное" отношение своей программы к другим выполняемым одновременно с ней программам, достаточно часто отдавая им управление. Крайним проявлением "недружественности" приложения является его зависание, которое приводит к общему краху системы. В системах с вытесняющей многозадачностью такие ситуации, как правило, исключены, так как центральный планирующий механизм снимет зависшую задачу с выполнения.

Однако распределение функций планировщика между системой и приложениями не всегда является недостатком, а при определенных условиях может быть и преимуществом, потому что дает возможность разработчику приложений самому проектировать алгоритм планирования, наиболее подходящий для данного фиксированного набора задач. Так как разработчик сам определяет в программе момент времени отдачи управления, то при этом исключаются нерациональные прерывания программ в "неудобные" для них моменты времени. Кроме того, легко разрешаются проблемы совместного использования данных: задача во время каждой итерации использует их монопольно и уверена, что на протяжении этого периода никто другой не изменит эти данные. Существенным преимуществом вытесняющей систем является более высокая скорость переключения с задачи на задачу.

Примером эффективного использования невытесняющей многозадачности является файл-сервер NetWare, в котором в значительной степени благодаря этому достигнута высокая скорость выполнения файловых операций.

Однако почти во всех современных ОС, ориентированных на высокопроизводительное выполнение приложений (UNIX, Windows NT, OS/2, VAX/VMS), реализована вытесняющая многозадачность. В последнее время дошла очередь и до ОС класса настольных систем. Возможно, в связи с этим вытесняющую многозадачность часто называют истинной.

Во многих процессорах топового уровня есть потоки, как и ядра. Я постараюсь объяснить в чем отличие потока от ядра, и в чем преимущество этих потоков. Потоки появились достаточно давно, а именно еще во времена правления Pentium 4 (до них она был в Ксеонах как суперпоточность).

В то время потоки еще носили сомнительную пользу, некоторые пользователи считали что они только ухудшают производительность.

Но на самом деле, производительность не падала, просто на то время программ, которые могли грамотно работать с двумя потоками — вообще не было. Поэтому, потоки это скорее всего была экспериментальная технология в то время, кстати почти все Pentium D также не имели ее за исключением топовых моделе D955, D965 (это двухядерники с четырьмя потоками).

Теперь немного разберемся с тем, что это вообще такое. Технология потоков называется Hyper-threading и отображается сокращенно: HT (как правило указывается на коробках сбоку). На одно ядро допустим один поток. Если вы задавались иногда вопросом «как увеличить количество потоков процессора», то я вас разочарую — это невозможно, и даже не думайте об этом, это глупости =).

Hyper-threading позволяет хранить состояние сразу двух потоков, поэтому в из под Windows такие потоки выглядят как ядра. То есть, если у вас имеет процессор 2 ядра, то это 4 потока. Соответственно я имею ввиду процессор, который поддерживает гипертрейдинг.

Как работает Hyper-threading? Чтобы вы понимали, то процессор выполняет не только ваши задачи, но и другие, и в том числе служебные. Так вот, обрабатывая данные, поток потом их отправляет, или ждет новых данных из оперативной памяти. В это время, пока он ждет, он может помогать другому потоку. То есть гипертрейдинг призван увеличить производительность процессора, уменьшая время бездействия.

То есть, можно сделать вывод, что количество потоков всегда равно количеству ядер умноженное на два. Никак иначе. Эту технологию разработала Intel, соответственно в AMD-процессорах ее нет, но есть мнение, что у них есть подобная технология, именно поэтому многие считают что в восьми-ядерных процессорах AMD восемь не ядре, а потоков.

В любом случае, эта технология полезна, хоть это и виртуальные ядра — лучше с HT, чем без нее.

Также плюсом является то, что не только система видит такие потоки как настоящие ядра, но и программы, и если программа умеет распараллеливать свою работу, то скорость ее работы будет выше с потоками, чем без.

Теперь вас наверно заинтересует — как узнать количество потоков процессора? Это очень просто. Вам нужно открыть диспетчер задач (по панели задач нажмите правой кнопкой), и перейти на вкладку производительность. Там будет поле ядра, а под ним — количество потоков, вам нужно последнее:


Как видите, число потоков равно числу ядер, потому что мой Pentium G3220 к сожалению не поддерживает технологию HT.

Современные процессоры Intel Core i3, i7 ее поддерживают, а вот i5 — нет (вроде бы только в ноутбуках есть i5 с двумя ядрами и HT, и некоторые процессоры на 1156 сокет, там тоже два ядра и HT). Думаю что маркетинговый ход, чтобы было равно-мерное увеличение производительности моделей серии i.

Если вы думаете, какой процессор лучше — с потоками или нет, то конечно с ними. Иногда (не буду углубляться) цена с поддержкой HT и без невелика, поэтому стоит доплатить и взять тот, что поддерживает HT. Это я так, в общих чертах вам на будущее.

7 ответов

Это зависит от оборудования, поскольку вы (возможно) не используете теоретический компьютер, а физический аппаратный, поэтому у вас ограниченные ресурсы.

Кроме того, даже если вы можете запустить 5000+ потоков, в зависимости от вашего оборудования, которые могут работать намного медленнее, чем 10-нить-эквивалентная программа. Я думаю, вы должны взглянуть на объединение потоков .

Как правило, количество потоков, которые запускаются одновременно, определяется количеством процессоров и ядер ЦП (включая гиперпоточность), которые у вас есть. То есть, в любой момент времени количество потоков, работающих (в операционной системе), равно числу "ядер".

Сколько потоков, которые вы можете запускать одновременно в вашем приложении, зависит от большого количества факторов. Наилучшим номером (легким человеком) было бы количество ядер на машине, но, конечно же, как будто никто не притворяется (ни одно другое приложение):).

Честно говоря, я бы сказал, что я много занимаюсь многопоточным в.NET/Windows, потому что у человека обычно есть больше "повреждений", чем пользы, когда у вас нет реального понимания..NET имеет концепцию пула потоков, и вам нужно знать, как это работает в дополнение к Windows.

В.NET 3.5/4.0 вы должны смотреть на Задачи (Task Parallel Library), поскольку библиотека намного лучше определяет, как много нитей (если вообще) икру. С TPL threadpool получает капитальный ремонт, и он намного умнее в вопросе о размножении потоков и краже задач и т.д. Но вы обычно работаете с задачами, а не с потоками.

Это сложная область, и в результате платформа.NET ввела Задачи, чтобы отвлечь программистов от потоков и, таким образом, позволить времени выполнения быть умным об этом, в то время как программист просто скажет, что она хочет, и не столько о том, как для этого.

Каждый поток потребляет больше памяти (стек ядра, блок среды потока, thread-local, stack....). AFAIK в Windows нет явного ограничения, поэтому ограничение будет памятью (вероятно, стек для каждого потока).

В потоках Linux больше похожие процессы (с разделяемой памятью), и вы ограничены:

Cat /proc/sys/kernel/threads-max

Довольно хорошее эмпирическое правило при запуске интенсивных задач состоит в том, чтобы запустить тот же номер, что и ваш физический подсчет ядра.

Да, вы можете запускать больше задач, но они будут ждать ресурсов (или потоков в пуле потоков), и ваш ящик, независимо от размера, не может полностью распределить все основные ресурсы процессора в 100% случаев поток из-за фона/других процессов. Таким образом, чем больше задач вы создаете, тем больше потоков вы создаете, поскольку они превосходят фактические возможные параллельные потоки (1 на ядро), тем больше будет выполняться управление ресурсами, очередность и свопинг.

Тест, который мы выполнили, теперь, когда я работаю с использованием вирусного шаблона, чтобы запустить дополнительные задачи, показал, что оптимальный уровень близок к счету процессора как кепку. Задачи, запущенные при соотношении "один к одному" с физическим числом ядер, выполнялись примерно на 1 минуту за каждую задачу. Устанавливается в два раза по счетчику процессора, время задачи перешло с 1 минуты в среднем до 5 минут среднего времени для завершения. Он становится геометрически медленнее, чем больше задач, инициированных за счет ядра.

Так, например, если у вас есть 8 физических ядер, то должны быть самыми быстрыми 8 задач (и использование TPL, по существу 8 одновременных потоков в активном процессе). Существует ваш основной поток или процесс, который создает другие задачи и другие фоновые процессы, но если ящик довольно изолирован для удовольствия от использования ресурсов, они будут довольно минимальными.

Поверхность программирования колпачка вашей задачи основана на подсчете ядра, когда вы жуете задачи из очереди или списка, поэтому при развертывании приложения на коробках разного размера он автоматически настраивается.

Чтобы определить это программно, мы используем

var CoreCount = System.Environment.ProcessorCount / 2;

Зачем делиться на две, спросите вы? Потому что почти все современные процессоры используют логические ядра или гиперпотоки. Вы должны найти со своим собственным тестированием, что, если вы используете логический счет, ваша общая скорость на одну задачу и, следовательно, весь процесс значительно снизится. Физические ядра - это ключ. Мы не могли видеть быстрый способ найти физическое против логического, но быстрый обзор наших ящиков показал, что это последовательно верно. YMMV, но это может стать довольно быстрым.

Мне удалось запустить 4 потока одновременно на моем текущем старом процессоре (2005). Использование EVGA CPU burner до того, как прозвучал мой зуммер процессора. (Запрограммировано в меню BIOS). Значение я превысило 90 * c. Имейте в виду, что мы говорим о потоках данных, работающих одновременно. хорошим примером может быть одновременное открытие нескольких программ. Но в целом это зависит от того, насколько хорош ваш процессор с многозадачностью. (другими словами, можно обрабатывать многие активные потоки). Безопасным способом тестирования является загрузка "ocscanner (By EVGA)" и "CPU Thermometer" с использованием центрального процессора в OC Scanner. Во время тестирования убедитесь, что ваша температура не превышает 90 * c (или любую температуру, в которой вы чувствуете себя в безопасности) и посмотрите на текущее количество потоков, которые вы запускаете, бросили ваш процессор. начните с 2 потоков, подождите 3-5 минут, наблюдая температуру процессора, добавьте еще один поток, повторите. (НЕ ПРИНИМАЙТЕ СВОЮ УДАЧУ!!!) (НЕ ПОПЫТАЙТЕ, ЕСЛИ ТЕРМОМЕТР ЦП НЕ МОЖЕТ СДЕЛАТЬ ВАШУ ТЕМПЕРАТУРУ!!!)