Прерывания в роли потоков

В большинстве операционных систем приняты две основные формы асинхрон­ной деятельности: процессы и прерывания. Процессы (или потоки) взаимодействуют друг с другом и управляют использованием совместных структур данных с помощью различных примитивов, обеспечивающих взаимоисключения (когда в каждый мо­мент времени только один процесс может выполнять определенный код или осуще­ствлять доступ к определенным данным) и синхронизирующих их выполнение. Пре­рывания синхронизируются путем их предотвращения на некоторое время. В опера­ционной системе Solaris эти две концепции объединяются в одной модели потоков ядра; прерывания в такой модели преобразуются в потоки ядра.

Эти преобразования выполняются для сокращения накладных расходов. Обработчики прерываний часто манипулируют данными, которые используются совместно с остальной частью ядра. Поэтому во время работы процедуры ядра, осуществляющей доступ к этим данным, прерывания должны быть заблокирова­ны, даже если большинство прерываний не оказывают влияния на эти данные. Обычно для этого приходится повышать уровень приоритета прерываний, чтобы блокировать прерывания на время выполнения подпрограммы. После заверше­ния подпрограммы уровень приоритета понижается. Все эти операции отнимают время. В многопроцессорной системе проблема усиливается.

1. Для обработки прерываний в системе Solaris используются потоки ядра. Как и любой другой поток ядра, поток прерывания обладает своим собст­венным идентификатором, приоритетом, контекстом и стеком.

2. Ядро управляет доступом к структурам данных и синхронизирует потоки пре­рываний с помощью примитивов взаимоисключений (рассматривающихся в главе 5, "Параллельные вычисления: взаимоисключения и многозадачность"). Таким образом, для обработки прерываний используются обычные методы син­хронизации потоков.

3. Потокам прерываний присваиваются более высокие приоритеты, чем всем другим типам потоков ядра.

Если происходит прерывание, оно передается определенному процессору, а выполняющийся на этом процессоре поток закрепляется. Закрепленный поток неможет перейти на другой процессор; его контекст сохраняется, и процесс приостанавливается до тех пор, пока не будет обработано прерывание. После этого процессор приступает к выполнению потока прерывания. В наличии всегда имеется запас деактивированных потоков прерываний, так что новый поток соз­давать не нужно. Затем исполняется поток, в котором происходит обработка прерывания. Если программе обработки понадобится доступ к структуре данных, которая каким-то образом заблокирована и используется другим потоком, поток прерывания должен ждать. Поток прерывания может быть вытеснен только дру­гим потоком прерывания с более высоким приоритетом.

Опыт использования потоков прерываний в операционной системе Solaris свидетельствует о том, что такой подход обеспечивает производительность, превосходя­щую производительность традиционных методов обработки прерываний [KLEI95].