kse_create(2)

kse − ユーザスレッドのためのカーネルサポート

標準 C ライブラリ (libc, −lc)

#include <sys/types.h>
#include <sys/kse.h>

int

kse_create(struct kse_mailbox *mbx, int newgroup);

int

kse_exit(void);

int

kse_release(struct timespec *timeout);

int

kse_switchin(mcontext_t *mcp, long val, long *loc);

int

kse_thr_interrupt(struct kse_thr_mailbox *tmbx);

int

kse_wakeup(struct kse_mailbox *mbx);

解説

これらのシステムコールはマルチスレッド化されたプロセスのためのカーネルサ ポートを実装しています。

概要

伝統的にユーザスレッディングは、次の 2 つの方法の 1 つで実装されてきまし た。全てのスレッドはユーザ空間で管理され、カーネルは全てのスレッディング を認識しない方法 (‘‘N 対 1’’ としても知られています)。または、個々のス レッドのために共通のメモリ空間を分け合う分離したプロセスを作成する方法 (‘‘N 対 N’’ としても知られています)。これらのアプローチは長所と短所を持っ ています:

ユーザスレッディング カーネルスレッディング
+ 軽量 - 重量
+ ユーザ制御スケジューリング - カーネル制御スケジューリング
- システムコールのラッピング必須 + システムコールのラッピング不要
- マルチ CPU の有効活用不可 + マルチ CPU の有効活用可能

KSE システムはユーザスレッディングおよびカーネルスレッディングの両方の長 所を成し遂げる混成のアプローチです。 KSE システムの根本的な哲学は、スケ ジューリングを決定するためのユーザスレッディングライブラリの能力を全く取 り除くことなく、ユーザスレッディングのためのカーネルサポートを与えること です。カーネルからユーザスレッドへの upcall 機構は、スケジューリングの決 定が必要とされるときにはいつでも、ユーザスレッディングライブラリに制御を 移すために使用されます。任意の数のユーザスレッドは、カーネルによって供給 される固定数の仮想 CPU 上に多重化されます。これは ‘‘N 対 M’’ スレッディン グ機構と考えることができます。

このアプローチのいくつかの一般的な裏の意味は以下を含みます:

• スレッドがブロックされたときにユーザプロセスが他のスレッドをスケ ジュールできるように、カーネル内でブロックする全ての操作は非同期にな ります。

• 同じプロセス内の複数のスレッドスケジューラが可能で、それらは互いに独 立して操作することができます。

定義
KSE はユーザプロセスが実際に同時の複数の スレッドの実行を可能にします。こ れらの幾つかは、その他のスレッドが実行中またはユーザ空間でブッロクされて いる間に、カーネルの中でブロックされることが可能です。 カーネルスケジュー リングの実体 (kernel scheduling entity, KSE) はスレッドの実行のためにプロ セスに承諾された ‘‘仮想 CPU’’ です。現在実行されているスレッドは常に、厳 密に 1 つのユーザ空間またはカーネルの中で動作しているどちらかの KSE に関 連付けられています。その KSE はそのスレッドに 割り当てられていると言われ ます。

その KSE が関連付けられた メールボックス (下記参照) を持っていて、そのス レッドが関連付けられた スレッドメールボックス (これも下記参照) を持ってい て、さらに以下のどれかが発生したときに、その KSE が 割り当てられていない 状態になり、関連付けられたスレッドは停止されます:

• そのスレッドがブロックを伴うシステムコールを実行する。

• スレッドが、カーネルがすぐには満たすことが可能ではない他の全ての要求 を行う。例えばディスクからデータを読み出すために必要なメモリページに アクセスすることでページフォルト発生させることです。

• カーネル内で先にブロックされていた他のスレッドが、カーネル内のその作 業を完了し (または 割り込まれ) 、ユーザ空間へ戻る準備ができ、さらに現 在のスレッドがユーザ空間に戻ろうとしている。

• シグナルがプロセスに配信され、この KSE がそのシグナルを配信するために 選択される。

言い換えると、スケジューリングの決定が行われなければならなくなるとすぐ に、その KSE は割り当てられていない状態になります。なぜならば、カーネルは そのプロセスの他のどの実行可能なスレッドをスケジュールするべきかを推定し ないからです。割り当てられていない KSE は常に可能な限り早く、ユーザプロセ スが次に利用するべき KSE をどのように決定するかを可能にする upcall 機構 ( 下記に記述されています) を介してユーザ空間に戻ります。 KSE は常に、割り当 てが解除される前に、カーネル内で可能な限り多くの作業を完了させます。

KSE グループは均等にスケジュールされ、その KSE グループに関連付けられた同 一のスレッドのプールへのアクセスを共有する KSE の集合です。 KSE グループ はカーネルスケジューリングの優先度が割り当てられることができる最小の実体 です。プロセスのスケジューリングとアカウンティングのため、それぞれの KSE グループは伝統的なスレッド化されていないプロセスと同様にカウントします。 KSE グループの中の個々の KSE は実際上、見分けがつきません。また、KSE グ ループの中のあらゆる KSE は、その KSE グループに関連付けられた (カーネル 内の) あらゆる実行可能なスレッドに、カーネルによって割り当てられることが できます。実際問題として、カーネルはキャッシュの動作を最適化するために、 スレッドと実際の CPU との密接な関係を保存しようと試みますが、これはユーザ プロセスには不可視です。 (密接な関係はまだ実装されていません)

それぞれの KSE はユーザプロセスによって供給された唯一の KSE メールボック スを持っています。メールボックスは upcall 関数へのポインタを含む制御構造 体とユーザスタックで構成されています。 KSE は割り当てを解除されると必ずこ の関数を実行します。カーネルはこの構造体を、実行可能になっているスレッ ド、およびそれぞれの upcall の前に配信されたシグナルについての情報を更新 します。 upcall はクリティカルセクションの間は、ユーザスレッドのスケ ジューリングコードによって一時的にブロックされることがあります。

同様にそれぞれのユーザスレッドは唯一の スレッドメールボックスを持っていま す。カーネルとユーザスレッドスケジューラが通信するときに、スレッドはこれ らのメールボックスへのポインタを使用して参照されます。それぞれの KSE の メールボックスは、その KSE が現在実行しているユーザスレッドのメールボック スへのポインタを含んでいます。このポインタはカーネル内でスレッドがブロッ クするときに、保存されます。

カーネル内でブロックされていたスレッドがユーザ空間に戻る準備ができたとき には必ず、そのスレッドは KSE グループの 完了したスレッドのリストに追加さ れます。このリストはスレッドメールボックスのリンクされたリストとして、次 の upcall でユーザコードに公開されます。

カーネルの中で同時にブロックされることができる KSE グループの中のスレッド 数には、カーネルに起因する制限があります (現在、この数はユーザには不可視 です)。この制限に達したときには、スレッドの 1 つが完了するまでの間 (また はシグナルが配信されるまでの間)、upcall はブロックされ、その KSE グループ のための作業は何も実行されません。

KSE の管理
マルチスレッド化するためには、プロセスは初めに kse_create() を実行しなけ ればなりません。 kse_create() システムコールは新しい KSE を作成します (本 当に最初の実行を除く、下記を参照してください)。その KSE は mbx によって指 されるメールボックスと関連付けられます。 newgroup が 0 ではない場合には、 その KSE を含む新しい KSE グループも作成されます。そうでない場合には、そ の新しい KSE は現在の KSE グループに追加されます。新しく作成される KSE は 最初は割り当てられていません。そのため、それらの KSE は直ちに upcall しま す。

それぞれのプロセスは初めは 1 つのユーザスレッドを実行する 1 つの KSE グ ループの中の 1 つの KSE を持っています。その KSE は関連付けられたメール ボックスを持っていないため、そのスレッドに割り当てられたままでなければな らず、upcall を全く実行しません。この結果は伝統的で、スレッド化されていな い様式の操作です。そのため、特別な場合として、 newgroup を 0 にしたこの最 初のスレッドによる kse_create() の最初の呼び出しは、新しい KSE を作成しま せん。代わりに、単に現在の KSE を与えられた KSE メールボックスに関連付 け、直ちに upcall しない結果となります。しかしながら、次にそのスレッドが ブロックし、要求された条件になったときに、 upcall がトリガされます。

カーネルは 1 つの KSE グループの中にシステムの物理的な CPU の数 (この数は sysctl(3) 変数の hw.ncpu として利用可能です) より多い KSE の存在を許可し ません。 CPU より多い KSE を持つことは、その追加の KSE が単にその他の KSE と実 CPU へのアクセスを競合するだけであるため、ユーザプロセスにとって全く 価値を増やさないでしょう。そのため、余分な KSE は常に脇に追いやられ、その 結果アプリケーションはまさにより少ない KSE を持っていることと同じになるで しょう。どんなに多くの任意のユーザスレッドが存在することになっても、利用 可能な KSE へのアプリケーションのユーザスレッドの割り当てを取り扱うための ユーザスレッドスケジューラに渡ります。

kse_exit() システムコールは、現在実行しているスレッドに割り当てられている KSE を破壊させます。この KSE がこの KSE グループの中の最後の 1 つの場合に は、その KSE グループに関連付けられているスレッドがカーネル内でブロックさ れたまま残ってはなりません。このシステムコールはエラーが無い場合には、戻 りません。

特別な場合として、最後に残っている KSE グループの中の最後に残っている KSE がこのシステムコールを実行する場合には、その KSE は破壊されません。代わり に、その KSE はそのメールボックスとの関連付けを失うだけで、 kse_exit() は 正常に戻ります。これはそのプロセスを元に、つまりスレッド化されていない状 態に戻します。

kse_release() システムコールは、必要でなくなったときに、現在実行している スレッドに関連付けられている KSE を ‘‘一時保管’’ するために使用されます。 例えば、実行可能なユーザスレッドよりも利用可能な KSE の方が多いときです。 そのスレッドは upcall に変化しますが、そのようにするための新しい理由が発 生するまでの間スケジュールされることはありません。例えば、以前にブロック されていたスレッドが実行可能になる、またはタイムアウトが発生するなどで す。成功の場合には、 kse_release() は呼び出し側に戻りません。

kse_switchin() システムコールは、新しいスレッドがそのスレッドのコンテキス トに切り替わるために、UTS によって使用されることが可能です。 kse_switchin() の使用はマシンに依存します。あるプラットフォームでは新しい コンテキストに切り替わるためのシステムコールを必要としません。一方、他の プラットフォームでは同様の場合に要求されます。

kse_wakeup() システムコールは kse_release() の反対です。 mbx によって指さ れているメールボックスに関連付けられた (一時保管された) KSE を upcall に することで起こします。その KSE がすでに他の理由で起こされていた場合には、 このシステムコールは何も起こりません。 mbx 引数は ‘‘現在の KSE グループの 中の全ての KSE’’ を指定するために NULL にすることができます。

kse_thr_interrupt() システムコールは、現在ブロックされているスレッドに割 り込むために使用されます。そのスレッドはカーネルの中でブロックされている か、 KSE に割り当てられて (例えば、実行中) いなければなりません。そのス レッドはその後、割り込まれたという印を付けられます。スレッドが割り込みを 発生させるシステムコールを実行するとできるだけ早く (または、スレッドが カーネルの中ですでにブロックされてると直ちに)、カーネル操作が完了していな いかもしれないのにもかかわらず、そのスレッドは再度実行可能にされます。割 り込まれたシステムコール上のこの効果は、すでにシグナルによって割り込まれ ていた場合と同様です。通常、これは errno に EINTR が設定されてエラーが返 されたことを意味します。

シグナル

現在の実装は特別のシグナルスレッドを作成します。プロセス内のカーネルス レッド (KSE) はすべてのシグナルをマスクし、シグナルスレッドだけがプロセス へ配信されるシグナルを待ちます。シグナルスレッドはユーザスレッドへのシグ ナルのディスパッチに対して責任があります。

この弱点は、多重スレッドが execve() システムコールを呼び出すなら、そのシ グナルマスクとペンディングシグナルはカーネルで利用可能でないかもしれない ことです。それらはユーザランドで格納され、カーネルはどこでそれらが得られ るか知りません。しかしながら、 POSIX ではそれらは復元され、新しいプロセス に渡す必要があります。 execve() 呼び出しの前のスレッドのマスク設定は、古 いプロセスがブロックされている状態かもしれない任意のペンディングシグナル をカーネルに再配信されないとき、問題に近似しています。そして、新しいシグ ナルがマスクの設定と execve() の間のプロセスに配信されるかもしれないウィ ンドウを許可します。

当分、この問題は特別の組み合わせ kse_thr_interrupt()/execve() モードを kse_thr_interrupt() システムコールに追加することによって解決されていま す。 kse_thr_interrupt() システムコールはサブコマンド KSE_INTR_EXECVE が あり、それは kse_execv_args 構造体を受け付けることができ、シグナルを調整 して、次に不可分に execve()() 呼び出しに変換できます。追加のペンディング シグナルと正しいシグナルマスクはこのようにしてカーネルに渡すことができま す。スレッドライブラリは、 execve() スステムコールをくつがえして、それを kse_intr_interrupt() 呼び出しに変換し、多重スレッドを exec() を行なう前に ペンディングシグナルと正しいシグナルマスクに復元できるようにします。この 問題の解決法は変更するかもしれません。

KSE メールボックス
それぞれの KSE は <sys/kse.h> で定義されたユーザとカーネルの通信のための 唯一のメールボックスがあります。そのフィールドのいくつかは次の通りです:

km_version はこの構造体のバージョンを表し、 KSE_VER_0 でなければなりませ ん。 km_udata はカーネルによって無視される不透明なポインタです。

km_func はその KSE の upcall 関数を指します。これは、その KSE が存在して いる間は有効であり続けなければならない km_stack を使用して実行されます。

km_curthread は常に、もしあれば現在この KSE に割り当てられているスレッド を、またはそうでなければ NULL を指しています。このフィールドは、カーネル とユーザプロセスの両方によって以下のように更新されます。

km_curthread が NULL ではないときには、それは現在実行中のスレッドのメール ボックスを指しているものとみなされ、割り当て解除されることができます。例 えば、スレッドがカーネル内でブロックする場合です。それから、カーネルはブ ロックされたスレッドの km_curthread の内容を保存して km_curthread を NULL に設定し、 km_func() を実行するために upcall します。

km_curthread が NULL のときには、カーネルはこの KSE の upcall を決して実 行しません。言い換えると、KSE はたとえブロックしたとしても、そのスレッド に割り当てられたままとなります。その KSE が間に入り込む upcall によって混 乱するであろうクリティカルなユーザスレッドスケジューラのコードを実行して いる間、特に km_func() それ自身を実行している間は、 km_curthread は NULL でなければなりません。

全ての upcall の中で km_func() を実行する前に、カーネルは常に km_curthread を NULL に設定します。一度、ユーザスレッドスケジューラが実行 するべき新しいスレッドを選んだら、そのスレッドのメールボックスの km_curthread を指すようにし、upcall を再度有効化し、それからそのスレッド を再開するべきです。 注意: ユーザスレッドスケジューラによる km_curthread の変更は、新しいスレッドのコンテキストのロードについて不可分でなければな りません。依然として有効な情報がそこから読み出されるべき時に、ブロッキン グ非同期操作によってスレッドのコンテキスト領域が変更されるかもしれない状 況を避けるためです。

km_completed は最近の upcall 以降にカーネル内での処理を終えたユーザスレッ ドのリンクされたリストを指しています。そのユーザスレッドスケジューラは、 これらのスレッドをスケジューラが所有する実行可能キューに戻すべきです。 upcall に帰着する (同期または非同期に) カーネル操作を完了した KSE グルー プ内の各々のスレッドは、確実に 1 つの KSE の km_completed にリンクされる ことが保証されます。しかしながら、そのグループの中のどの KSE かは不定で す。その上、その完了はたった 1 つの upcall でしか報告されません。

km_sigscaught はその前のプロセス内の全ての KSE への upcall 以降に、このプ ロセスによって捕まえられたシグナルのリストが含まれています。そのユーザプ ロセスの中に、メールボックスに関連付けられた KSE が 1 つ以上存在する限り は、シグナルは伝統的な方法ではなくこの方法で配信されます。 (これはまだ実 装されておらず、変更されるかもしれません)

km_timeofday は、それぞれの upcall の前にカーネルによって現在のシステム時 刻に設定されます。

km_flags は以下の全てのビット毎の OR を含むことができます:

KMF_NOUPCALL
upcalls が起きないようにブロックします。スレッドは何らかのクリ ティカルセクション (危険域) にあります。

KMF_NOCOMPLETED, KMF_DONE, KMF_BOUND
このスレッドは、永久に KSE に結びつけられると考えられるべきで、ス レッド化されていないプロセスとそっくりに扱われます。それはある意 味では KMF_NOUPCALL の ‘‘長期’’ バージョンです。

KMF_WAITSIGEVENT
シグナル配信スレッドに必要な特性を実装します。

スレッドメールボックス
それぞれのユーザスレッドはそれに関連付けられた <sys/kse.h> で定義された唯 一の struct kse_thr_mailbox がなければなりません。それは次のフィールドを 含んでいます:

tm_udata はカーネルによって無視された不明瞭なポインタです。

tm_context はユーザ空間内でスレッドがブロックされた時に、そのスレッドのた めのコンテキストを保存します。このフィールドは完了したスレッドが km_completed を介してユーザスレッドスケジューラに戻る前に、カーネルによっ ても更新されます。

tm_next はカーネルの upcall により戻った時に、 km_completed スレッドにリ ンクします。このリストの最後は NULL でマークされます。

tm_uticks および tm_sticks はそれぞれ、ユーザモードおよびカーネルモードの 実行のための時間カウンタです。これらのカウンタは統計クロック (clocks(7) を参照してください) の刻みをカウントします。カーネル内でいずれかのスレッ ドがアクティブに実行中の間は、対応する tm_sticks カウンタがインクリメント されます。ユーザ空間でいずれかの KSE 実行中で、その KSE の km_curthread ポインタが NULL と等しくない間は、対応する tm_uticks カウンタがインクリメ ントされます。

tm_flags は以下の全てのビット毎の OR を含むことができます:

TMF_NOUPCALL
KMF_NOUPCALL と同様です。このフラグはクリティカルセクション (危険 域) への upcall を禁止します。いくつかのアーキテクチャは、ある場 所ともう片方でいくつかにあることを必要とします。

戻り値

成功の場合には kse_create(), kse_wakeup() および kse_thr_interrupt() シス テムコールは 0 を返します。成功の場合には kse_exit() および kse_release() システムコールは戻りません。

エラーの場合には、これら全てのシステムコールは 0 ではないエラーコードを返 します。

kse_create() システムコールは次の場合に失敗します:

既に KSE グループの中にハードウェアプロセッサと同じ数 の KSE が存在しています。

[EAGAIN]
実行下の KSE グループのトータル数についてのシステムに 課せられた制限を超過します。この制限は sysctl(3) MIB 変数 KERN_MAXPROC によって与えられます。 (この制限は スーパユーザのためを除き、実際にはこれより 10 小さい値 です)

[EAGAIN]
ユーザがスーパユーザではなく、1 ユーザによる実行下の KSE グループのトータル数についてのシステムに課せられた 制限を超過します。この制限は sysctl(3) MIB 変数 KERN_MAXPROCPERUID によって与えられます。

[EAGAIN]
ユーザがスーパユーザではなく、 resource 引数 RLIMIT_NPROC に対応するソフトリソース制限を超過します (getrlimit(2) を参照してください)。

[EFAULT]
mbx 引数がプロセスのアドレス空間の有効ではない部分のア ドレスを指しています。

kse_exit() システムコールは次の場合に失敗します:

[EDEADLK]
現在の KSE はその KSE グループ内の最後であり、カーネル 内でブロックされたその KSE グループに関連付けられたス レッドが依然として 1 つ以上存在しています。

[ESRCH]
現在の KSE は関連付けられたメールボックスを持っていま せん。例えば、そのプロセスが伝統的なスレッド化されてい ないモードで、実行しています (この場合はプロセスを終了 するために _exit(2) を使用します)。

kse_release() システムコールは次の場合に失敗します:

[ESRCH]
現在の KSE は関連付けられたメールボックスを持っていま せん。例えば、そのプロセスが伝統的なスレッド化されてい ないモードで、実行しています。

kse_wakeup() システムコールは次の場合に失敗します:

[ESRCH]
mbx 引数が NULL ではなく、 mbx によって指されるメール ボックスそのメールボックスが、そのプロセス内のいずれの KSE にも関連付けられていません。

[ESRCH]
mbx 引数が NULL で、現在の KSE が関連付けられたメール ボックスを持っていません。例えば、そのプロセスが伝統的 なスレッド化されていないモードで、実行しています。

kse_thr_interrupt() システムコールは次の場合に失敗します:

[ESRCH]
tmbx に対応するスレッドが、現在プロセス内のいずれの KSE にも割り当てられていないか、カーネル内でブロックさ れています。

関連項目

rfork(2), pthread(3), ucontext(3)

KSE システムコール群は FreeBSD 5.0 ではじめて登場しました。

KSE は初めに Julian Elischer ⟨julian@FreeBSD.org⟩ が実装し、 Jonathan Mini ⟨mini@FreeBSD.org⟩, Daniel Eischen ⟨deischen@FreeBSD.org⟩ および David Xu ⟨davidxu@FreeBSD.org⟩ が追加の貢献をしました。

このマニュアルページは Archie Cobbs ⟨archie@FreeBSD.org⟩ によって書かれま した。

KSE のコードは開発中です。

FreeBSD 10.0 September 10, 2002 FreeBSD 10.0