Вопрос 21. Планирование в условиях многопроцессорности.

Реентерабельность кода ядра позволяет ОС Windows поддерживать симметричные мультипроцессорные системы (процессоры идентичны). Необходимость загрузки нескольких процессоров усложняет задачу планирования. Количество процессоров система определяет при загрузке, и эта информация становится доступной приложениям через функцию GetSystemInfo. Число процессоров, используемых системой, может быть ограничено с помощью параметра NumPcs из файла Boot.ini.

Ведение отдельных очередей готовых к выполнению потоков для каждого из процессоров может иметь следствием неравномерную загрузку процессоров, поэтому используется общая очередь потоков в состоянии готовности. Любой поток становится в очередь и планируется на любой доступный процессор. Поскольку в системе нет главного процессора, каждый процессор занимается самопланированием и выбирает поток из очереди готовности. Чтобы гарантировать, что два процессора не выберут один и тот же поток, для каждого процессора организовывается эксклюзивный доступ к данной очереди за счет использования спин-блокировки диспетчера ядра.

Привязка к процессорам

У каждого потока имеется маска привязки к процессорам (affinity mask), указывающая, на каких процессорах можно выполнять данный поток. По умолчанию Windows использует нежесткую привязку (soft affmity) потоков к процессорам. Это означает, что некоторое преимущество имеет последний процессор, на котором выполнялся поток, чтобы повторно использовать данные из кэша этого процессора (родственное планирование). Потоки наследуют маску привязки процесса. Изменение привязки процесса и потока может быть осуществлено с помощью Win32-функций SetProcessAffinityMask и SetThreadAfftnityMask или с помощью инструментальных средств Windows (например, это может сделать диспетчер задач). Есть также возможность сформировать априорную маску привязки в файле образе запускаемого процесса.

Помимо номера последнего процессора в блоке ядра потока KTHREAD хранится номер идеального процессора (ideal processor) – предпочтительного для выполнения данного потока. Идеальный процессор выбирается случайным образом при создании потока. Это значение увеличивается на 1 всякий раз, когда создается новый поток, поэтому создаваемые потоки равномерно распределяются по набору доступных процессоров. Поток может поменять это значение с помощью функции SetThreadIdealProcessor.

Готовый к выполнению поток система пытается подключить к простаивающему процессору. Если таких несколько, то предпочтение отдается идеальному процессору данного потока, а затем последнему из процессоров, на котором поток выполнялся. Если все процессоры заняты, то делается проверка на возможность вытеснить какой-либо выполняющийся или ждущий поток (в первую очередь на идеальном процессоре, затем – на последнем для данного потока). Если вытеснение невозможно, новый поток помещается в очередь готовых потоков с соответствующим уровнем приоритета и ждет выделения процессорного времени.

Таким образом, в ОС Windows реализовано двухуровневое планирование. На верхнем уровне алгоритма потоки приписываются конкретным (идеальным, последним, наименее загруженным) центральным процессорам, в результате чего у каждого процессора создается своя очередь потоков. На нижнем уровне каждым процессором осуществляется реальное планирование при помощи приоритетов и других средств.

Например, если какой-либо процессор начинает простаивать, у загруженного работой процессора отбирается поток и отдается ему. Двухуровневое планирование равномерно распределяет нагрузку среди процессоров и использует преимущество родственности кэша.

Жесткая привязка (hard affinity), выполняемая с помощью функций SetProcessAffinityMask и SetThreadAfftnityMask, целесообразна в архитектурах с неунифицируемым (NUMA) доступом, где скорость доступа к памяти зависит от взаимного расположения процессоров и банков памяти на системных платах.