Потоки на уровне ядра

В программе, работа которой полностью основана на потоках, работающих на уровне ядра, все действия по управлению потоками выполняются ядром. В области приложений отсутствует код, предназначенный для управления потоками. Вместо него используется интерфейс прикладного программирования (application programming interface — API) средств ядра, управляющих потоками. Примерами такого подхода являются операционные системы OS/2, Linux и W2K.

На рис. 4.6,6 проиллюстрирована стратегия использования потоков на уровне ядра. Любое приложение при этом можно запрограммировать как многопоточное; все потоки приложения поддерживаются в рамках единого процесса. Ядро поддер­живает информацию контекста процесса как единого целого, а также контекстов каждого отдельного потока процесса. Планирование выполняется ядром исходя из состояния потоков. С помощью такого подхода удается избавиться от двух упомяну­тых ранее основных недостатков потоков пользовательского уровня. Во-первых, ядро может одновременно осуществлять планирование работы нескольких потоков одного и того же процесса на нескольких процессорах. Во-вторых, при блокировке одного из потоков процесса ядро может выбрать для выполнения другой поток этого же процесса. Еще одним преимуществом такого подхода является то, что сами процеду­ры ядра могут быть многопоточными.

Основным недостатком подхода с использованием потоков на уровне ядра по сравнению с использованием потоков на пользовательском уровне яв­ляется то, что для передачи управления от одного потока другому в рамках одного и того же процесса приходится переключаться в режим ядра. Резуль­таты исследований, проведенных на однопроцессорной машине VAX под управлением UNIX-подобной операционной системы, представленные в табл. 4.1, иллюстрируют различие между этими двумя подходами. Сравнивалось время выполнения таких двух задач, как (1) нулевое ветвление (Null Fork) — время, затраченное на создание, планирование и выполнение процесса/потока, состоящего только из нулевой процедуры (измеряются только накладные расходы, связанные с ветвлением процесса/потока), и (2) ожида­ние сигнала (Signal-Wait) — время, затраченное на передачу сигнала от од­ного процесса/потока другому процессу/потоку, находящемуся в состоянии ожидания (накладные расходы на синхронизацию двух процессов/потоков). Чтобы было легче сравнивать полученные значения, заметим, что вызов процедуры на машине VAX, используемой в этом исследовании, длится 7 us, а системное прерывание - 17 us. Мы видим, что различие во времени выполнения потоков на уровне ядра и потоков на пользовательском уровне бо­лее чем на порядок превосходит по величине различие во времени выполне­ния потоков на уровне ядра и процессов.

Таблица 4.1. Время задержек потоков (μs) [ANDE92]

Таким образом, создается впечатление, что как применение многопоточности на уровне ядра дает выигрыш по сравнению с процессами, так и многопоточность на пользовательском уровне дает выигрыш по сравнению с многопоточностью на пользовательском уровне. Однако на деле возможность этого дополни­тельного выигрыша зависит от характера приложений. Если для большинства переключений потоков приложения необходим доступ к ядру, то схема с пото­ками на пользовательском уровне может работать не намного лучше, чем схема с потоками на уровне ядра.