QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Цилюрик Олег Иванович

И в технической документации QNX, и в книге Р. Кертена [1] много страниц уделено описанию логики процессов, потоков, синхронизации и многим другим вещам в терминах аллегорических аналогий: коллективное пользование ванной комнатой, кухней... Если согласиться, что такие аллегории более доходчивы для качественного описания картины происходящего (что, похоже, так и есть), то для иерархии «операционная система — процесс — поток» можно найти существенно более близкую аллегорию: «аквариумное хозяйство». Действительно:

• В некотором общем помещении, где имеются все средства жизнеобеспечения — освещение, аэрация, терморегуляция, кормление (операционная система), — размещаются аквариумы (процессы), внутри которых (в одних больше, в других совсем немного) живут активные сущности (растения, рыбы, улитки). Помимо всех прочих «удобств» в помещении время от времени появляется еще одна сущность — «хозяин». Он является внешней по отношению к системе силой, которая асинхронно предпринимает некоторые действия (кормление, пересадка животных), нарушающие естественное «синхронное» течение событий (это служба системного времени операционной системы, которая извне навязывает потокам диспетчеризацию).

• Аквариумы (процессы) являются не только контейнерами, заключающими в себе активные сущности (потоки). Они также ограничивают ареал существования (защищенное адресное пространство) для их обитателей: любое нарушение границ обитания в силу каких-либо форс-мажорных обстоятельств, безусловно, означает гибель нарушителя (ошибка нарушении защиты памяти в потоке).

• Обитатели аквариумов (потоки) легко и непринужденно взаимодействуют между собой (сталкиваются при движении или, напротив, уступают друг другу место) в пределах контейнера (процесса). Однако при этом они не могут взаимодействовать с обитателями других контейнеров (процессов); более того, они даже ничего не знают об их существовании. Если обитатель требует вмешательства, например перемещения его в другой контейнер, то он может лишь способствовать этому, взывая своим поведением (при помощи особых знаков) к инстанции более высокого уровня иерархии, в отличие от контейнера некоторой «общесистемной субстанции», взывающего к хозяину (операционной системе) о вмешательстве (диспетчеризации).

• Все жизненно необходимые ресурсы (кислород, корм, свет) поступают непосредственно к контейнеру как единице распределения (операционная система выделяет ресурсы процессу в целом). Обитатели контейнера (потоки) конкурируют за распределение общих ресурсов контейнера на основании своих характеристик (приоритетов) и некоторой логики (дисциплины) распределения относительно «личностных» характеристик: размера животного, быстроты реакции и движения и т.д.

Такая ассоциативная аналогия, возможно, позволит отчетливее ощутить, что процесс и поток относятся к различным уровням иерархии понятий ОС. Это различие смазывается тем обстоятельством, что в любой ОС (с поддержкой модели потоков или без нее) всякий процесс всегда наблюдается в неразделимом единстве хотя бы с одним (главным) потоком и нет возможности наблюдать и анализировать поведение «процесса без потока».

Отсюда и происходят попытки объединения механизмов создания и манипулирования процессами и потоками «под одной крышей» (единым механизмом). Например, в ОС Linux создание и процесса ( fork()), и потока ( pthread_create()) свели к единому системному вызову _clone(), что явилось причиной некоторой иллюзорной эйфории, связанной с непонятной, мифической «дополнительной гибкостью».

Усилия последующих лет были направлены как раз на разделение этих механизмов, ликвидацию этой «гибкости» и восстановление POSIX-модели. Отсюда же вытекают и разработки последних лет в области новых «экзотических» ОС, направленные на сближение модели процесса и потока, и попытки создания некой «гибридной» субстанции, объединяющей атрибуты процесса и потока, если того захочет программист (на момент создания). По нашему мнению, идея «гибридизации» достаточно сомнительна и согласно нашей аналогии направлена на создание чего-то, в головной своей части напоминающего аквариум, а в задней — рыбу. Получается даже страшнее, чем русалка…

Отмеченный выше дуализм абстракций процессов и потоков (а в некоторых ОС и их полная тождественность) приводит к тому, что крайне сложно описывать одно из этих понятий, не прибегая к упоминанию атрибутов другого. В итоге, с какой бы из двух абстракций ни начать рассмотрение, нам придется, забегая вперед, ссылаться на атрибутику другой, дуальной ей. В описании процессов нам не обойтись без понятия приоритета (являющегося атрибутикой потока), а в описании потоков мы не сможем не упомянуть глобальные (относительно потока) объекты, являющиеся принадлежностью процесса, например файловые дескрипторы, сокеты и многое другое.

По этой причине наше последующее изложение при любом порядке его «развертывания» обречено на некоторую «рекурсивность». Итак, следуя сложившейся традиции, начнем с рассмотрения процессов.

Процессы

Создание параллельных процессов настолько полно описано в литературе по UNIX, что здесь мы приведем лишь минимально необходимый беглый обзор, останавливаясь только на отличительных особенностях ОС QNX.

Всякое рассмотрение предполагает наличие системы понятий. Интуитивно ясное понятие процесса не так просто поддается формальному определению. Процитируем (во многом качественное) определение, которое дает Робачевский [3]:

Обычно программой называют совокупность файлов, будь то набор исходных текстов [8], объектных файлов или собственно выполняемый файл. Для того чтобы программа могла быть запущена на выполнение, операционная система сначала должна создать окружение или среду выполнения задачи, куда относятся ресурсы памяти, возможность доступа к устройствам ввода/вывода и различным системным ресурсам, включая услуги ядра.

Процесс всегда содержит хотя бы один поток, поскольку мы говорим об исполняемом, развивающемся во времени коде. Для процессов, исходный код которых подготовлен на языке C/C++, главным потокомпроцесса является поток, в котором исполняется функция, текстуально описанная под именем main(). Код и данные процесса размещаются в оперативной памяти в адресном пространствепроцесса. Если операционная система и реализующая платформа (наше рассмотрение ограничено только реализацией x86) поддерживают MMU и виртуализацию адресного пространства на физическую память, то каждый процесс имеет собственное изолированное и уникальное адресное пространство и у него нет возможности непосредственно обратиться в адресное пространство другого процесса.

Любой процесс может содержать произвольное количество потоков, но не менее одного и не более 32 767 (для QNX версии 6.2). Совокупность данных, необходимых для выполнения любого из потоков процесса, а также контекст текущего выполняемого потока называются контекстом процесса.

Согласно ранним «каноническим» спецификациям UNIX [3] ОС должна поддерживать не менее 4095 отдельных процессов (точнее 4096, из которых 0-вой представляет собой процесс, загружающий ОС и, возможно, реализующий в дальнейшем функции ядра). Во всей документации ОС QNX нам не удалось найти предельное значение этого параметра. Но если из этого делается «тайна мадридского двора», то наша задача — найти это значение:

int main(int argc, char* argv[]) {

 unsigned long n = 1;

 pid_t pid;

 while((pid = fork()) >= 0) {

  n++;

  if (pid > 0) {