Реферат: Многопроцессорный вычислительный комплекс на основе коммутационной матрицы с симметричной обработкой заданий всеми процессорами

Основным преимуществом такой архитектуры является то, что прикладные программы имеют в своем распоряжении столько центральных процессоров, сколько имеется в наличии у сервера. Так как операционная система занимается планированием работы процессоров, прикладным программам нет необходимости знать о количестве имеющихся процессоров. Операционная система назначит каждую нить первому свободному процессору. Планировщик позволяет распределять нагрузку и в конечном итоге выполнять программы точно с той же скоростью, с какой несколько центральных процессоров и могут с ними справиться.

Одним из преимуществ SMP-платформ, является их масштабируемость. Компания, реализовавшая однопроцессорную систему с таким сервером, в будущем будет иметь возможность реализовать SMP с той же самой версией ОС. Если задачи растут постепенно, необязательно выкладывать сразу все деньги. Напротив, можно приобрести сначала сервер только с одним процессором, а позднее добавлять дополнительные процессоры. Если масштабируемость реальна, то по мере того, как развивается информационная система и, соответственно, требования пользователей к мощности системы, можно добавить еще один процессор без какого-либо изменения программного обеспечения.

Для достижения масштабируемости важно использовать также асинхронные операции. При асинхронном вводе/выводе процессу не надо ожидать завершения чтения или записи, прежде чем он приступит к выполнению другой задачи. Каждый процесс создается с использованием единственной нити, которая выступает отдельным блоком при выполнении процессором команд программы. Программы могут запускать новые нити по мере потребности, и ОС назначает и контролирует их без участия высокоуровневой прикладной системы.

Прикладная программа может использовать несколько нитей, не нарушая основной поток программы. Программа может создать отдельную нить для каждой операции. Каждая из этих нитей, или операций, с точки зрения пользователя, может выполняться на отдельном процессоре без контроля со стороны прикладной программы.

Такая архитектура имеет еще одно преимущество. Накладные расходы связаны скорее с процессом, чем с нитью. Кроме того, нити создаются быстрее, чем процессы, и они совместно используют память внутри процесса, так что нитям нет необходимости осуществлять какую-либо специальную передачу данных. Помимо этого, все ресурсы процесса доступны всем нитям внутри процесса.

Конечно, для работы с текстовыми редакторами и электронными таблицами мощь многопроцессорной архитектуры не потребуется. Однако более актуальным она является в рамках сетевого сервера или сервера базы данных, ответственного за оперативную обработку транзакций, поступающих от большого числа пользователей.

При выборе прикладной программы необходимо выяснить, использует ли продукт все преимущества ОС на уровне нити, а не на уровне процесса. Определяя производительность и гибкость какой-либо системы как единого целого, необходимо иметь в виду, что аппаратное обеспечение, сетевая операционная система и прикладное программное обеспечение работают вместе.

Необходимо иметь в виду, что эффективность не растет линейно при добавлении еще одного процессора. Для любой SMP-системы выгода от дополнительного процессора постепенно сходит на нет с добавлением каждого последующего процессора.

Производительность не растет линейно, поскольку ОС должна управлять каждым процессором и, следовательно, взаимодействием процессора с внутренними вызовами и периферийными устройствами на шине. Когда нить в однопроцессорной системе не может более выполняться до осуществления некоторого условия, процессор маскирует программное прерывание так, что никакой другой процесс не может воспользоваться данным ресурсом. Затем он сохраняет состояние нити, чтобы выполнение кода могло возобновиться при осуществлении условия.

Когда есть только один процессор, довольно просто сохранять описание уровней прерывания и масок, контролирующих доступ к структурам данных ОС. С добавлением каждого нового процессора эта задача становится все более трудной. Операционная система для SMP-платформы должна уточнить, что только один процессор в данный момент выполняет сегмент кода, который меняет глобальную структуру данных.

В системе с одним процессором маскированное прерывание предотвращает использование процессором ресурса. Но в SMP-среде этот механизм не дает возможности гарантировать, что различные процессы не будут иметь доступа к тому же самому ресурсу через другое прерывание.

В SMP ОС целесообразно использовать метод взаимоблокировки для управления прерываниями между процессорами. По сути, взаимоблокировка является программной процедурой, которая блокирует доступ второго процессора к уже занятому ресурсу. Например, когда ядро хочет получить доступ к защищенной области, такой как очередь отложенных вызовов процедур, оно должно "приобрести" замок, который связан с очередью. Если замок находится в распоряжении какого-либо процессора, то другой процессор пытается получить замок до тех пор, пока его не освободит другой процессор.

Такой метод позволяет предотвратить порчу процессорами глобальных структур данных на уровне ядра. Однако при непродуманной реализации, он может привести к тому, что процессоры будут бездействовать в течение длительного периода, ожидая освободившийся замок. Этот метод хорошо работает, когда выполняются небольшие фрагменты кода. Такой код наиболее часто используется в функциях ядра, которые не вызывают внешние процедуры, не вытесняются из памяти и не генерируют прерываний. Таким образом, во многих случаях взаимоблокировка не действует, в то время как ядро должно синхронизировать нити между процессорами.

Ядро также может управлять нитью, назначая ей одно из трех состояний: готова, выполняется или ждет. Когда нить ждет результатов запроса, ядро изменяет состояние нити с "выполняется" на "ждет" и удаляет ее из очереди на выполнение. После того как нить получила ожидаемую ею информацию, ядро изменяет состояние нити с "ждет" на "готова" и возвращает ее в очередь. Нить выполняется, когда появляется возможность.

Хотя это объяснение поверхностно, оно все же показывает, насколько сложным для операционной системы оказывается управление синхронизацией нескольких процессов. По мере добавления новых процессоров к системе накладные расходы на управление конфликтами возрастают, и это уменьшает отдачу от ОС, ориентированных на симметрично-многопроцессорную обработку.

3.2 Нити (threads)

Понятие "легковесного процесса" (light-weight process), или, как принято называть его в современных вариантах ОС, "thread" (нить, поток управления) давно известно в области операционных систем. Интуитивно понятно, что концепции виртуальной памяти и потока команд, выполняющегося в этой виртуальной памяти, в принципе, ортогональны. Ни из чего не следует, что одной виртуальной памяти должен соответствовать один и только один поток управления. Поэтому, например, в ОС Multics допускалось (и являлось принятой практикой) иметь произвольное количество процессов, выполняемых в общей (разделяемой) виртуальной памяти.

Понятно, что если несколько процессов совместно пользуются некоторыми ресурсами, то при доступе к этим ресурсам они должны синхронизироваться (например, с использованием семафоров, см. раздел “Семафоры”). Многолетний опыт программирования с использованием явных примитивов синхронизации показал, что этот стиль "параллельного" программирования порождает серьезные проблемы при написании, отладке и сопровождении программ (наиболее трудно обнаруживаемые ошибки в программах обычно связаны с синхронизацией). Это явилось одной из причин того, что в традиционных вариантах ОС понятие процесса жестко связывалось с понятием отдельной и недоступной для других процессов виртуальной памяти. Каждый процесс был защищен ядром операционной системы от неконтролируемого вмешательства других процессов. Многие годы это считалось одним из основных достоинств системы (впрочем, это мнение существует и сегодня).

Однако связывание процесса с виртуальной памятью порождает, по крайней мере, две проблемы. Первая проблема связана с так называемыми системами реального времени. Такие системы, как правило, предназначены для одновременного управления несколькими внешними объектами и наиболее естественно представляются в виде совокупности "параллельно" (или "квазипараллельно") выполняемых потоков команд (т. е. взаимодействующих процессов). Однако если с каждым процессом связана отдельная виртуальная память, то смена контекста процессора (т. е. его переключение с выполнения одного процесса на выполнение другого процесса) является относительно дорогостоящей операцией. Поэтому традиционный подход препятствовал использованию системы в приложениях реального времени.

Второй (и может быть более существенной) проблемой явилось появление так называемых симметричных мультипроцессорных компьютерных архитектур (SMP - Symmetric Multiprocessor Processing). В таких компьютерах физически присутствуют несколько процессоров, которые имеют одинаковые по скорости возможности доступа к совместно используемой основной памяти. Появление подобных машин на мировом рынке, естественно, вывело на первый план проблему их эффективного использования. Понятно, что при применении традиционного подхода к организации процессов от наличия общей памяти не очень много толка (хотя при наличии возможностей разделяемой памяти об этом можно спорить). К моменту появления SMP выяснилось, что технология программирования все еще не может предложить эффективного и безопасного способа реального параллельного программирования. Поэтому пришлось вернуться к явному параллельному программированию с использованием параллельных процессов в общей виртуальной (а тем самым, и основной) памяти с явной синхронизацией.

Что же понимается под "нитью" (thread)? Это независимый поток управления, выполняемый в контексте некоторого процесса. Фактически, понятие контекста процесса изменяется следующим образом. Все, что не относится к потоку управления (виртуальная память, дескрипторы открытых файлов и т. д.), остается в общем контексте процесса. Вещи, которые характерны для потока управления (регистровый контекст, стеки разного уровня и т. д.), переходят из контекста процесса в контекст нити. Общая картина показана на рисунке:

Как видно из этого рисунка, все нити процесса выполняются в его контексте, но каждая нить имеет свой собственный контекст. Контекст нити, как и контекст процесса, состоит из пользовательской и ядерной составляющих. Пользовательская составляющая контекста нити включает индивидуальный стек нити. Поскольку нити одного процесса выполняются в общей виртуальной памяти, все нити процесса имеют равные права доступа к любым частям виртуальной памяти процесса, стек (сегмент стека) любой нити процесса в принципе не защищен от произвольного (например, по причине ошибки) доступа со стороны других нитей. Ядерная составляющая контекста нити включает ее регистровый контекст (в частности, содержимое регистра счетчика команд) и динамически создаваемые ядерные стеки.

Приведенное краткое обсуждение понятия нити кажется достаточным для того, чтобы понять, что внедрение в ОС механизма легковесных процессов требует существенных переделок ядра системы. (Всегда трудно внедрить в программу средства, для поддержки которых она не была изначально приспособлена.)

3.2.1 Подходы к организации нитей и управлению ими в разных вариантах ОС UNIX

Хотя концептуально реализации механизма нитей в разных современных вариантах практически эквивалентны (да и что особенное можно придумать по поводу легковесных процессов?), технически и, к сожалению, в отношении интерфейсов эти реализации различаются. Мы не ставим здесь перед собой цели описать в деталях какую-либо реализацию, однако постараемся в общих чертах охарактеризовать разные подходы.

Начнем с того, что разнообразие механизмов нитей в современных вариантах ОС UNIX само по себе представляет проблему. Сейчас достаточно трудно говорить о возможности мобильного параллельного программирования в среде UNIX-ориентированных операционных систем. Если программист хочет добиться предельной эффективности (а он должен этого хотеть, если для целей его проекта приобретен дорогостоящий мультипроцессор), то он вынужден использовать все уникальные возможности используемой им операционной системы.

Для всех очевидно, что сегодняшняя ситуация далека от идеальной. Однако, по-видимому, ее было невозможно избежать, поскольку поставщики симметричных мультипроцессорных архитектур должны были как можно раньше предоставить своим покупателям возможности эффективного программирования, и времени на согласование решений просто не было (любых поставщиков прежде всего интересует объем продаж, а проблемы будущего оставляются на будущее).

Применяемые в настоящее время подходы зависят от того, насколько внимательно разработчики ОС относились к проблемам реального времени. (Возвращаясь к введению этого раздела, еще раз отметим, что здесь мы имеем в виду "мягкое" реальное время, т. е. программно-аппаратные системы, которые обеспечивают быструю реакцию на внешние события, но время реакции не установлено абсолютно строго.) Типичная система реального времени состоит из общего монитора, который отслеживает общее состояние системы и реагирует на внешние и внутренние события, и совокупности обработчиков событий, которые, желательно параллельно, выполняют основные функции системы.

Понятно, что от возможностей реального распараллеливания функций обработчиков зависят общие временные показатели системы. Если, например, при проектировании системы замечено, что типичной картиной является "одновременное" поступление в систему N внешних событий, то желательно гарантировать наличие реальных N устройств обработки, на которых могут базироваться обработчики. На этих наблюдениях основан подход компании Sun Microsystems.

В системе Solaris (правильнее говорить SunOS 4.x, поскольку Solaris в терминологии Sun представляет собой не операционную систему, а расширенную операционную среду) принят следующий подход. При запуске любого процесса можно потребовать резервирования одного или нескольких процессоров мультипроцессорной системы. Это означает, что операционная система не предоставит никакому другому процессу возможности выполнения на зарезервированном(ых) процессоре(ах). Независимо от того, готова ли к выполнению хотя бы одна нить такого процесса, зарезервированные процессоры не будут использоваться ни для чего другого.

Далее, при образовании нити можно закрепить ее за одним или несколькими процессорами из числа зарезервированных. В частности, таким образом, в принципе можно привязать нить к некоторому фиксированному процессору. В общем случае некоторая совокупность потоков управления привязывается к некоторой совокупности процессоров так, чтобы среднее время реакции системы реального времени удовлетворяло внешним критериям. Очевидно, что это "ассемблерный" стиль программирования (слишком много перекладывается на пользователя), но зато он открывает широкие возможности перед разработчиками систем реального времени (которые, правда, после этого зависят не только от особенностей конкретной операционной системы, но и от конкретной конфигурации данной компьютерной установки). Подход Solaris преследует цели удовлетворить разработчиков систем "мягкого" (а, возможно, и "жесткого") реального времени, и поэтому фактически дает им в руки средства распределения критических вычислительных ресурсов.

В других подходах в большей степени преследуется цель равномерной балансировки загрузки мультипроцессора. В этом случае программисту не предоставляются средства явной привязки процессоров к процессам или нитям. Система допускает явное распараллеливание в пределах общей виртуальной памяти и "обещает", что по мере возможностей все процессоры вычислительной системы будут загружены равномерно. Этот подход обеспечивает наиболее эффективное использование общих вычислительных ресурсов мультипроцессора, но не гарантирует корректность выполнения систем реального времени (если не считать возможности установления специальных приоритетов реального времени).

Отметим существование еще одной аппаратно-программной проблемы, связанной с нитями (и не только с ними). Проблема связана с тем, что в существующих симметричных мультипроцессорах обычно каждый процессор обладает собственной сверхбыстродействующей буферной памятью (кэшем). Идея кэша, в общих чертах, состоит в том, чтобы обеспечить процессору очень быстрый (без необходимости выхода на шину доступа к общей оперативной памяти) доступ к наиболее актуальным данным. В частности, если программа выполняет запись в память, то это действие не обязательно сразу отображается в соответствующем элементе основной памяти; до поры до времени измененный элемент данных может содержаться только в локальном кэше того процессора, на котором выполняется программа. Конечно, это противоречит идее совместного использования виртуальной памяти нитями одного процесса (а также идее использования памяти, разделяемой между несколькими процессами).

Это очень сложная проблема, относящаяся к области проблем "когерентности кэшей". Теоретически имеется много подходов к ее решению (например, аппаратное распознавание необходимости выталкивания записи из кэша с синхронным объявлением недействительным содержания всех кэшей, включающих тот же элемент данных). Однако на практике такие сложные действия не применяются, и обычным приемом является отмена режима кэширования в том случае, когда на разных процессорах мультипроцессорной системы выполняются нити одного процесса или процессы, использующие разделяемую память.

После введения понятия нити трансформируется само понятие процесса. Теперь лучше (и правильнее) понимать процесс ОС UNIX как некоторый контекст, включающий виртуальную память и другие системные ресурсы (включая открытые файлы), в котором выполняется, по крайней мере, один поток управления (нить), обладающий своим собственным (более простым) контекстом. Теперь ядро знает о существовании этих двух уровней контекстов и способно сравнительно быстро изменять контекст нити (не изменяя общего контекста процесса) и так же, как и ранее, изменять контекст процесса. Последнее замечание относится к синхронизации выполнения нитей одного процесса (точнее было бы говорить о синхронизации доступа нитей к общим ресурсам процесса - виртуальной памяти, открытым файлам и т. д.). Конечно, можно пользоваться (сравнительно) традиционными средствами синхронизации (например, семафорами). Однако оказывается, что система может предоставить для синхронизации нитей одного процесса более дешевые средства (поскольку все нити работают в общем контексте процесса). Обычно эти средства относятся к классу средств взаимного исключения (т. е. к классу семафороподобных средств). К сожалению, и в этом отношении к настоящему времени отсутствует какая-либо стандартизация.

3.3 Семафоры

Поддержка операционной системы в многопроцессорной конфигурации может включать в себя разбиение ядра системы на критические участки, параллельное выполнение которых на нескольких процессорах не допускается. Нижеследующие рассуждения помогают понять суть данной особенности. При ближайшем рассмотрении сразу же возникают два вопроса: как использовать семафоры и где определить критические участки.

Если при выполнении критического участка программы процесс приостанавливается, для защиты участка от посягательств со стороны других процессов алгоритмы работы ядра однопроцессорной операционной системы используют блокировку.

Механизм установления блокировки:

/* операция проверки */

выполнять пока (блокировка установлена)

{

приостановиться (до снятия блокировки);

};

установить блокировку;

Механизм снятия блокировки:

снять блокировку;

вывести из состояния приостанова все процессы, приостановленные в результате блокировки;

Блокировки такого рода охватывают некоторые критические участки, но не работают в многопроцессорных системах, что видно из приведенного рисунка:

Предположим, что блокировка снята, и что два процесса на разных процессорах одновременно пытаются проверить ее наличие и установить ее. В момент t они обнаруживают снятие блокировки, устанавливают ее вновь, вступают в критический участок и создают опасность нарушения целостности структур данных ядра. В условии одновременности имеется отклонение: механизм не сработает, если перед тем, как процесс выполняет операцию проверки, ни один другой процесс не выполнил операцию установления блокировки. Если, например, после обнаружения снятия блокировки процессор A обрабатывает прерывание и в этот момент процессор B выполняет проверку и устанавливает блокировку, по выходе из прерывания процессор A так же установит блокировку. Чтобы предотвратить возникновение подобной ситуации, нужно сделать так, чтобы процедура блокирования была неделимой: проверку наличия блокировки и ее установку следует объединить в одну операцию, чтобы в каждый момент времени с блокировкой имел дело только один процесс.

3.3.1 Определение семафоров

Семафор представляет собой обрабатываемый ядром целочисленный объект, для которого определены следующие элементарные (неделимые) операции:

·     Инициализация семафора, в результате которой семафору присваивается неотрицательное значение;

·     Операция типа P, уменьшающая значение семафора. Если значение семафора опускается ниже нулевой отметки, выполняющий операцию процесс приостанавливает свою работу;

·     Операция типа V, увеличивающая значение семафора. Если значение семафора в результате операции становится больше или равно 0, один из процессов, приостановленных во время выполнения операции P, выходит из состояния приостанова;

·     Условная операция типа P, сокращенно CP (conditional P), уменьшающая значение семафора и возвращающая логическое значение "истина" в том случае, когда значение семафора остается положительным. Если в результате операции значение семафора должно стать отрицательным или нулевым, никаких действий над ним не производится и операция возвращает логическое значение "ложь".

Определенные таким образом семафоры, безусловно, никак не связаны с семафорами пользовательского уровня.

3.3.2 Реализация семафоров

Дийкстра показал, что семафоры можно реализовать без использования специальных машинных инструкций. Здесь представлены реализующие семафоры функции, написанные на языке Си.

struct semaphore

{

int val[NUMPROCS]; /* замок - 1 элемент на каждый процессор */

int lastid; /* идентификатор процессора, получившего семафор последним */

      };

int procid; /* уникальный идентификатор процессора */

int lastid; /* идентификатор процессора, получившего семафор последним */

Init(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

int i;

for (i = 0; i < NUMPROCS; i++)

semaphore.val[i] = 0;

      }

Pprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

      {

int i,first;

loop:

first = lastid;

semaphore.val[procid] = 1;

forloop:

for (i = first; i < NUMPROCS; i++)

{

if (i == procid)

{

semaphore.val[i] = 2;

for (i = 1; i < NUMPROCS; i++)

if (i != procid && semaphore.val[i] == 2)

goto loop;

lastid = procid;

return;

/* успешное завершение, ресурс можно использовать */

                  }

else if (semaphore.val[i])

goto loop;

      }

first = 1;

goto forloop;

      }

Vprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

      {

lastid = (procid + 1) % NUMPROCS; /* на следующий процессор */

semaphore.val[procid] = 0;

      }

Функция Pprim блокирует семафор по результатам проверки значений, содержащихся в массиве val; каждый процессор в системе управляет значением одного элемента массива. Прежде чем заблокировать семафор, процессор проверяет, не заблокирован ли уже семафор другими процессорами (соответствующие им элементы в массиве val тогда имеют значения, равные 2), а также не предпринимаются ли попытки в данный момент заблокировать семафор со стороны процессоров с более низким кодом идентификации (соответствующие им элементы имеют значения, равные 1). Если любое из условий выполняется, процессор переустанавливает значение своего элемента в 1 и повторяет попытку. Когда функция Pprim открывает внешний цикл, переменная цикла имеет значение, на единицу превышающее код идентификации того процессора, который использовал ресурс последним, тем самым гарантируется, что ни один из процессоров не может монопольно завладеть. Функция Vprim освобождает семафор и открывает для других процессоров возможность получения исключительного доступа к ресурсу путем очистки соответствующего текущему процессору элемента в массиве val и перенастройки значения lastid. Чтобы защитить ресурс, следует выполнить следующий набор команд:

Страницы: 1, 2, 3