Планирование исполнения процессов

Планирование исполнения процессов является одним из ключевых теоретических и практических понятий, относящихся к многопроцессорным вычислительным системам. Планирование исполнения процессов или, в общем случае, задач, заключается в построении отображения множества задач на множество вычислительных элементов (ядер, процессоров) системы с учетом динамики ее работы. Программу, которая реализует тот или иной алгоритм планирования исполнения задач, называют планировщиком (scheduler).

Планировщик обычно пытается обеспечить максимальную загрузку процессоров, высокую пропускную способность системы - количество выполненных задач за единицу времени, минимальное время нахождения задачи в очереди на выполнение, справедливость распределения процессорного времени между задачами, и др.

В рамках однопроцессорной вычислительной системы обычно используются следующие классические дисциплины планирования:

1. FIFO - очередь задач (First In, First Out)

   

   
   

2. LIFO - очередь задач (стек) (Last In, First Out)

   

   
   

   Варианты LIFO и FIFO иллюстрируют статическое планирование исполнения процессов в однопроцессорной системе под управлением операционной системы с монопольным доступом к процессору (операционная система без вытеснения процесса).

3. Круговое обслуживание задач на базе FIFO очереди

   

   
   

   Данный вариант иллюстрирует принцип работы планировщика однопроцессорной системы с вытеснением процессов, зачастую поддерживается сортировка процессов в очереди согласно определенным приоритетам процессов. Принципы назначения или вычисления приоритета процесса определяются типом планировщика.

Перейдем теперь к рассмотрению более сложных дисциплин планирования, применяющихся в многопроцессорных системах и использующих динамическое планирование - т.е. планирование с учетом состояния процессов системы в текущий момент времени.

3.1 Work stealing

Можно выделить два подхода к планированию исполнения процессов в многопроцессорных системах:

1. Work Sharing - централизованное планирование, при котором планировщик контролирует единый пул задач в системе и назначает задачи процессорам;
2. Work Stealing - децентрализованное планирование, при котором единый планировщик отсутствует, а процессоры сами выбирают какие задачи им исполнять;

Ниже описывается алгоритм, который используется в планировщике библиотеки PFX, и в основе которого лежит идея заимствования работ (work stealing, коротко WS).

Идея WS-планирования заключается в том, что каждый процессор имеет собственный пул потоков, которые он должен исполнить. При наличии в пуле потоков, процессор изымает один из потоков и начинает исполнять его. Как только пул процессора оказывается пуст, процессор становиться "вором" и крадет (steal) потоки из пулов других процессоров.

Пул потоков процессора представляет собой двустороннюю очередь (часто называемую WS-deque). Для того чтобы начать исполнять следующий поток из пула, процессор извлекает поток с одной стороны очереди - будем называть этот конец очереди bottom. После извлечения потока, процессор исполняет поток до тех пор, пока поток не завершится или исполнение потока не будет блокировано каким-то внешним событием. В этом случае процессор извлекает новый поток из bottom, а блокированный поток помещает назад в bottom. Таким образом, пока очередь не пуста, процессор работает с ней по принципу LIFO (по принципу стека).

В том случае, когда в очереди процессора нет потоков, он произвольно выбирает другой процессор и извлекает из очереди этого процессора поток с противоположной от bottom стороны (назовем ее top ). Если же очередь другого процессора также пуста, то процессор-вор ищет другую "жертву".

Дополнительные сведения о планировании исполнения процессов будут приведены в "Программирование с использованием Task Parallel Library (TPL)" .