Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform

Кёртен Роб

Давайте сделаем сводку правил диспетчеризации (для одиночного процессора) и отсортируем их в порядке важности:

• только один поток может выполняться в данный момент времени;

• всегда должен выполняться поток с наивысшим авторитетом;

• поток должен работать до тех пор, пока он не блокируется иди не завершается;

• поток, диспетчеризуемый по дисциплине карусельного типа (RR), должен работать в течение выделенного ему кванта времени, после чего ядро обязано его перепланировать (при необходимости).

Для систем с несколькими процессорами, приведенные выше правила остаются такими же, за исключением того, что несколько процессоров могут одновременно выполнять несколько потоков. Порядок, в котором потоки выполняются (то есть последовательность, в которой потоки ставятся на выполнение в многопроцессорной системе), определяется точно так же, как для одиночного процессора —

в любой момент времени будет выполняться готовый к выполнению поток с наивысшим приоритетом. Если существует другой готовый к выполнению поток с более высоким приоритетом, и имеется доступный процессор, то этот поток будет выполняться на следующем процессоре, и так далее. Если имеющегося числа потоков недостаточно для того, чтобы загрузить все процессоры по такому принципу, то нет проблем — «неактивные» процессоры будут выполнять «холостой» поток (его приоритет равен нулю, то есть ниже, чем приоритет любого пользовательского потока) Если для того, чтобы обработать всю очередь, недостаточно процессоров, тогда только N потоков с наивысшим приоритетом будут выполняться, где N — число доступных процессоров. Другие потоки будут готовы к выполнению, но в действительности выполняться не будут. Отметим, что вопросы диспетчеризации потоков в симметричной мультипроцессорной системе все еще исследуются, так что возможно, что этот порядок может измениться в будущем.

Схема алгоритма диспетчеризации.

Состояния потоков

Несколько раз небрежно упомянув о «выполнении», «готовности» и «блокировке», давайте теперь формализуем эти состояния потока.

Выполнение (RUNNING)

Состояние выполнения (RUNNING) в QNX/Neutrino означает, что поток активно использует ресурсы процессора. В системе SMP будет осуществляться выполнение множества потоков, а в системе с единственным процессором будет осуществляться выполнение одного потока.

Готовность (READY)

Состояние готовности (READY) означает, что этот поток может быть поставлен на выполнение немедленно, но не выполняется, потому что в данный момент времени активен другой поток (с таким же или более высоким приоритетом). Если бы два потока были готовы к выполнению, один из них с приоритетом 10, а другой — с приоритетом 7, то поток с приоритетом 10 был бы переведен в состояние выполнения (RUNNING), а поток с приоритетом 7 — в состояние готовности (READY).

Блокированные состояния (BLOCKED)

Что называется блокированным состоянием? Проблема здесь состоит в том, что блокированных состояний существует несколько. Реально в QNX/Neutrino имеется более дюжины блокированных состояний.

Почему так много? Потому что ядро отслеживает причину, по которой поток заблокирован.

Мы уже ознакомились с двумя типами блокирующих состояний: когда поток заблокирован в ожидании мутекса, этот поток находится в состоянии блокировки по мутексу (MUTEX). Когда поток заблокирован, ожидая семафор, он находится в состоянии блокировки по семафору (SEM). Эти состояния просто указывают, в очереди на какой ресурс поток заблокирован.

Если по мутексу заблокировано несколько потоков, ядро не уделит им никакого внимания до тех пор, пока поток, который владеет мутексом, не освободит его. Как только это произойдет, один из блокированных потоков будет переведен в состояние готовности (READY), и ядро при необходимости примет решение о перепланировании.

Почему «при необходимости»? У потока, который только что освободил мутекс, вполне могут быть и другие дела, и он может иметь более высокий приоритет, чем все остальные ожидающие процессор потоки. В этом случае мы следуем второму правилу, которое гласит: «всегда должен выполняться поток с наивысшим приоритетом», что означает, что порядок диспетчеризации не изменяется — поток с наивысшим приоритетом продолжает работать.

Полный список состояний потоков

Ниже представлен полный список блокированных состояний с краткими пояснениями. Этот список, кстати, есть в заголовочном файле

<sys/QNX/Neutrino.h>

, только там эти состояния снабжены префиксом «STATE_» (например, состояние READY данной таблицы там будет звучать как STATE_READY).

Если состояние потока:	To это значит, что:
DEAD	Поток «мертв», ядро ожидает освобождения занятых им ресурсов. (В классических UNIX системах это состояние также называют «zombie» — «зомби» — прим. ред.)
RUNNING	Поток выполняется.
READY	Поток не выполняется, но готов к работе (работает один или более потоков с более высокими или равными приоритетами).
STOPPED	Поток приостановлен (по сигналу SIGSTOP
SEND	Поток ожидает приема своего сообщения сервером.
RECEIVE	Поток ожидает сообщение от клиента.
REPLY	Поток ожидает от сервера ответ на свое сообщение.
STACK	Поток ожидает распределения дополнительного стекового пространства.
WAITPAGE	Поток ожидает устранения администратором процессов повреждения на странице.
SIGSUSPEND	Поток ожидает сигнал.
SIGWAITINFO	Поток ожидает сигнал.
NANOSLEEP	Поток «спит» (приостановлен на определенный период времени).
MUTEX	Поток ожидает захват мутекса.
CONDVAR	Поток ожидает соблюдения условия условной переменной.
JOIN	Поток ожидает завершения другого потока.
INTR	Поток ожидает прерывание.
SEM	Поток ожидает захват семафора.

Важно помнить о том, что когда поток блокирован, независимо от состояния блокировки, он не потребляет ресурсы процессора. Наоборот, единственным состоянием, в котором поток потребляет ресурсы процессора, является состояние выполнения (RUNNING).

Мы рассмотрим блокированные состояния SEND (блокировка по передаче), RECEIVE (блокировка по приему) и REPLY (блокировка по ответу) в главе «Обмен сообщениями». Состояние NANOSLEEP связано с применением функций типа sleep, которые мы рассмотрим в главе «Часы, таймеры и периодические уведомления». Состояние INTR связано с использованием функции InterruptWait, которую мы изучим в главе «Прерывания». Большинство всех прочих состояний обсуждается в данной главе.

Процессы и потоки

Вернемся к нашим рассуждениям о потоках и процессах, но на сей раз с точки зрения перспективы их применения в системах реального времени. Затем мы рассмотрим вызовы функций, которые применяются при работе с потоками и процессами.

Мы знаем, что процесс может содержать один или больше потоков. (Процесс с нулевым числом потоков не был бы способен что-либо делать: если в доме никого нет, выполнять какую-либо полезную работу просто некому.) В операционной системе QNX/Neutrino допускается один или более процессов. (Аналогично — QNX/Neutrino с нулевым количеством процессов просто не сможет ничего сделать.)

Что же делают все эти процессы и потоки? В конечном счете, они формируют систему — собрание потоков и процессов, реализующих определенную цель.

На самом высоком уровне абстракции система состоит из множества процессов. Каждый процесс ответственен за обеспечение служебных функций определенного характера, независимо от того, является ли он элементом файловой системы, драйвером дисплея, модулем сбора данных, модулем управления или чем-либо еще.

В пределах каждого процесса может быть множество потоков. Число потоков варьируется. Один разработчик ПО, используя только единственный поток, может реализовать те же самые функциональные возможности, что и другой, использующий пять потоков. Некоторые задачи сами по себе приводят к многопоточности и дают относительно простые решения, другие в силу своей природы, являются однопоточными, и свести их к многопоточной реализации достаточно трудно.