Легковесный процесс ( англ. light-weight process , LWP) является средством достижения многозадачности в компьютерной операционной системе в традиционном понимании этого термина. В Unix System V и Solaris легковесный процесс работает в пространстве пользователя поверх одного потока выполнения ядра, разделяет виртуальное адресное пространство и системные ресурсы потока выполнения с другими легковесными процессами в рамках того же процесса. Несколько потоков пользовательского уровня, управляемых с помощью библиотеки потоков, могут быть размещены в одном или нескольких легковесных процессах, что даёт многозадачность на уровне пользователя, которая может иметь некоторые преимущества в производительности .

В некоторых операционных системах нет отдельного слоя легковесных процессов между потоками ядра и пользовательскими потоками. Это означает, что пользовательские потоки реализуются непосредственно потоками ядра. В таких случаях термин «легковесный процесс», как правило, означает поток ядра, а термин «поток» может означать пользовательский поток. В ядре Linux пользовательские потоки реализованы так, что позволяют определенным процессам совместно использовать ресурсы, что иногда позволяет применять к этим потокам термин «легковесные процессы» . Аналогично в SunOS версии 4 (предшественнице Solaris ) легковесными процессами назывались пользовательские потоки .

Потоки ядра

Потоки ядра полностью обрабатываются в ядре. Они не должны быть связаны с процессом, ядро может создавать их, когда это необходимо для выполнения конкретной задачи. Потоки ядра не могут выполняться в пользовательском режиме. Легковесные процессы (в системах, где они являются отдельным слоем) связываются с потоками ядра и обеспечивают контекст на уровне пользователя. Это включает в себя ссылку на общие ресурсы процесса, к которому принадлежит легковесный процесс. Когда легковесный процесс приостанавливается, необходимо хранить содержимое регистров на уровне пользователя, пока он не возобновляется, а поток ядра основной также должен хранить свои собственные регистры на уровне ядра.

Производительность

^{[ прояснить ]}

Создание легковесного процесса обходится дороже и выполняется дольше, чем пользовательский поток. При создании легковесного процесса сначала делается системный вызов, создающий соответствующий поток ядра ^{[ прояснить ]} , то есть производится переключение в режим ядра. Такие переключения режимов, как правило, связаны с копированием параметров между ядром и пользовательским пространством, также ядро обычно выполняет дополнительные действия по проверке корректности параметров. Переключение контекста между легковесными процессами требует упреждающего сохранения регистров, затем производится переход в режим ядра, где затем производится сохранение регистров потока ядра, и после того, как производится всё необходимое по планированию легковесного процесса, производится восстановление соответствующих значений регистров в режиме ядре и в пользовательском режиме.

В связи с этим некоторые библиотеки пользовательского уровня реализованы так, что создают несколько пользовательских потоков поверх легковесного процесса. Пользовательские потоки могут быть созданы, уничтожены, синхронизированы и переключаться между друг другом полностью в пространстве пользователя без необходимости осуществления системных вызовов и переходов в режим ядра. Это обеспечивает значительное улучшение производительности в момент создания потока и переключений контекста. Тем не менее, существуют трудности в реализации планировщика потоков пользовательского уровня, который бы хорошо работал вместе с ядром.

Активация планировщика

Пока пользовательская библиотека занимается планированием пользовательских потоков, ядро занимается планированием подлежащих легковесных процессов. Без координации между ядром и потоковой библиотекой ядро может принять субоптимальные решения планирования. Кроме того, это может привести взаимной блокировке , когда пользовательские потоки распределённые по несколько легковесным процессам, пытаются получить те же ресурсы, использующиеся другим пользовательским потоком, который не выполняется в данный момент.

Одним из решений этой проблемы является активация планировщика. Это метод координации ядра и библиотеки потоков. Ядро уведомляет планировщик потоковой библиотеки о некоторых событиях (например, когда планируется блокировка потока) и библиотека потоков может принять решение о том, что следует предпринять. Такой уведомляющий вызов от ядра называется «upcall».

Библиотека пользовательского уровня не имеет никакого контроля над механизмом более высокого уровня, она только получает уведомления от ядра и осуществляет планирование потоков пользовательских потоков на имеющихся легковесных процессах, а не процессорах. Планировщик ядра решает как планировать легковесные процессы на процессорах. Это означает что легковесные процессы представляются в библиотеке потоков как «виртуальные процессоры» .

Поддержка в операционных системах

В Solaris реализован отдельный слой легковесных процессов, начиная с версии 2.2. До версии 9, Solaris предоставляла многие-ко-многим соотношения легковесных процессов к пользовательским потокам. Однако, это было упразднено, из-за сложностей, к которым это приводило, что также улучшило производительность планировщика ядра .

UNIX System V и его современные производные, такие как IRIX , SCO OpenServer , HP-UX и IBM AIX предоставляют сопоставления «многие ко многим» между пользовательскими потоками и легковесными процессами .

В Linux определена собственная версия легковесных процессов, которая отличается от используемых в некоторых других системах, таких как SVR4 и Solaris. Linux рассматривает легковесные процессы как основной контекст выполнения и управляет ими с помощью нестандартного системного вызова clone() .

Примечания