DE60034170T2 - Protokoll zum Koordinieren der Verteilung von gemeinsamem Speicher - Google Patents

Protokoll zum Koordinieren der Verteilung von gemeinsamem Speicher Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F9/00—Arrangements for program control, e.g. control units
    • G06F9/06—Arrangements for program control, e.g. control units using stored programs, i.e. using an internal store of processing equipment to receive or retain programs
    • G06F9/46—Multiprogramming arrangements
    • G06F9/50—Allocation of resources, e.g. of the central processing unit [CPU]
    • G06F9/5005—Allocation of resources, e.g. of the central processing unit [CPU] to service a request
    • G06F9/5011—Allocation of resources, e.g. of the central processing unit [CPU] to service a request the resources being hardware resources other than CPUs, Servers and Terminals
    • G06F9/5016—Allocation of resources, e.g. of the central processing unit [CPU] to service a request the resources being hardware resources other than CPUs, Servers and Terminals the resource being the memory

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Multithreading-Anwendungen und insbesondere auf Verfahren zur Koordinierung der Verteilung von gemeinsam benutztem Speicher auf Steuerstränge, die in einem Datenverarbeitungssystem ausgeführt werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Unter Multithreading versteht man das Partitionieren eines Computerprogramms, das einen bestimmten Prozess ausführt, in logisch unabhängige Steuerstränge, die parallel ausgeführt werden können. Jeder Strang umfasst eine Folge von Befehlen und von den Befehlen verwendeten Daten zur Ausführung einer bestimmten Aufgabe des Programms wie etwa einer Berechnung oder einer Ein-/Ausgabefunktion.
  • Obwohl ein einzelner Prozessor jeweils nur die Befehle eines Strangs ausführen kann, kann der Prozessor mehrere Stränge parallel ausführen, indem er zum Beispiel die einem Strang entsprechenden Befehle ausführt, bis er einen ausgewählten Befehl erreicht, die Ausführung dieses Strangs dann unterbricht und die einem anderen Strang entsprechenden Befehle ausführt, bis alle Stränge abgearbeitet sind. Solange der Prozessor mit der Ausführung von Befehlen für mehr als einen Strang während eines bestimmten Zeitintervalls begonnen hat, spricht man bei diesem System davon, dass alle ausgeführten Stränge während des betreffenden Zeitintervalls „laufen", wodurch ein so genanntes „Multiprocessing" erreicht wird.
  • Ein Prozess umfasst mehrere Stränge, die von einem gemeinsamen Adressbereich aus arbeiten. Prozesse können so konfiguriert sein, dass Teile ihres Adressbereichs gemeinsam benutzt werden, das heißt sie sind einem gemeinsamen physikalischen Ort oder Speicher zugeordnet. Mehrere Stränge in einem Prozess nutzen Teile dieses Speicheradressbereichs gemeinsam. Es ist möglich, dass mehr als ein Strang annimmt, alleinigen Zugriff auf einen Teil des Speichers zu haben, und dass er eine Reihe von Lese- und Schreiboperationen in einem Speicherbereich durchführt, während ein anderer Strang Lese- und Schreiboperationen im selben Speicherbereich durchführt. Ein solcher Parallelbetrieb durch miteinander konkurrierende Stränge kann den Ablauf eines Prozesses verwirren. Daher muss in einer Umgebung mit gemeinsam benutztem Speicher der gemeinsam benutzte Speicher jedem einzelnen Strang auf der Grundlage eines Koordinierungsverfahrens zugewiesen werden, das sicherstellt, dass jeweils nur ein Strang Zugriff auf einen gemeinsam benutzten Speicherbereich hat.
  • Die derzeitigen Speicherzuordnungsverfahren weisen den Strängen den Adressplatz auf eine von zwei Weisen zu: durch Verteilung oder durch gegenseitigen Ausschluss. Verteilungsverfahren unterteilen den gemeinsam benutzten Speicher in Blöcke gleicher Größe und weisen die Speicherblöcke den Strängen wie angefordert zu. Jeder Speicherblock muss groß genug sein, um den Speicherbedarf für den Strang zu erfüllen, der den meisten Speicher benötigt. Der Gesamtspeicherbedarf wird bestimmt durch den maximalen Bedarf an Zugriff auf den gemeinsam benutzten Speicher durch einen bestimmten Strang, multipliziert mit der Gesamtzahl der beteiligten Stränge. Dieses Verfahren ist besonders verschwenderisch, wenn einzelne Stränge nicht die gleichen Mengen an gemeinsam benutztem Speicher erfordern. Selbst geringe Unterschiede im Speicherbedarf der Stränge können einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtspeicherbedarf haben.
  • Gegenseitige Ausschlussverfahren, die in der Hardware oder Software implementiert werden können, koordinieren die Verwendung des gemeinsam benutzten Speichers unter den Strängen durch lesen und Schreiben gemeinsam benutzter Variablen und Zeiger, die auf die gemeinsam benutzten Adressen verweisen. Die Implementierung dieser Verfahren erfordert einen Zugriff auf das Betriebssystem, was sowohl langsam als auch aufwändig ist.
  • Bei einer Implementierung mit gegenseitigem Ausschluss gestattet das Betriebssystem jeweils nur einem Strang den Zugriff auf den gemeinsam benutzten Speicher. Der gemeinsam benutzte Speicher wird einem Strang durch Austauschen von Signalen zwischen Strängen zugewiesen, so dass ein Strang veranlasst werden kann, an einem bestimmten Punkt während der Ausführung anzuhalten, bis er ein bestimmtes Signal erhält. Im Einzelnen kann das Betriebssystem einem Strang den Zugriff auf den gemeinsam benutzten Speicher erlauben, indem es den gemeinsam benutzten Speicher sperrt, den Speicher für die ausschließliche Nutzung durch den Strang zuweist und den Speicher wieder freigibt, sobald der Strang die Speicheroperation abgeschlossen hat.
  • Während der Speicherbereich gesperrt ist, sind andere Stränge daran gehindert, auf ihn zuzugreifen, bis die Sperre aufgehoben wird. Dieses Verfahren ist eine akzeptable Möglichkeit zum Zuordnen von Speicher für einmalige oder weniger häufige Operationen, zum Beispiel ein von einem Prozess angefordertes einmaliges Hochfahren. Die Datenverarbeitung erfordert jedoch im Allgemeinen die Ausführung von Operationen, die Hunderte oder gar Tausende von Malen pro Sekunde auftreten, zum Beispiel wenn viele Stränge einen gemeinsamen Speicherbereich durch Ausführen einer Schreiboperation modifizieren. Bei solchen Operationen führt dieses Verfahren des Sperrens und Freigebens von gemeinsam benutztem Speicher zu Engpässen in der Systemleistung. Mit zunehmender Anzahl von Strängen, die Systemleistung anfordern, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Systemengpässen. Dies wirkt sich natürlich negativ auf die Systemleistung aus.
  • Es sind Verfahren vorgestellt worden, die auf einige der vorstehend genannten Probleme eingehen. EP 0817044 A2 beschreibt ein Speicherzuordnungsverfahren für eine Multithreading-Umgebung. Das Verfahren verwendet gegenseitige Ausschlusssperren, die jeweils mit Speicherpools in einem gemeinsam benutzten Speicher verbunden sind. Einzelne Stränge können auf einen bestimmten Speicherpool zugreifen, während der Zugriff durch andere Stränge über die gegenseitige Ausschlusssperre des jeweiligen Speicherpools ausgeschlossen ist. Mehrere Stränge können gemeinsam auf einen bestimmten Speicherpool zugreifen, indem der Zugriff von anderen Strängen verhindert wird, während einer den Pool benutzt. Auch wenn dies eine effektive Möglichkeit zur Steuerung des Zugriffs auf gemeinsam benutzten Speicher in einer Multithreading-Umgebung ist, verwendet das beschriebene Verfahren kein Token, das von den Strängen gemeinsam benutzt werden kann, um auf ausgewählte Teile des gemeinsam benutzten Speichers zuzugreifen, für die Speicherzuordnung, während der Zugriff auf andere Teile des gemeinsam benutzten Speichers möglich ist.
  • Nach den Aspekten der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zum Zuordnen von Blöcken eines gemeinsam benutzten Speichers in einem Datenverarbeitungssystem, ein Speicherzuordnungssystem und ein computerlesbares Medium mit computerlesbaren Befehlen zur Durchführung eines Verfahrens auf einem Datenverarbeitungssystem zum Zuordnen von Blöcken eines gemeinsam benutzten Speichers nach den Ansprüchen 1, 6 bzw. 9 bereitgestellt.
  • Die anliegenden Zeichnungen, die Bestandteil der vorliegenden Spezifikation sind, zeigen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Vorteile und Grundsätze der Erfindung.
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Datenverarbeitungssystems, das zur Anwendung der Verfahren und Systeme nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
  • 2 zeigt eine logische Ansicht mehrerer Stränge, die auf einen gemeinsam benutzten Speicher zugreifen.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Betriebs eines gemeinsam benutzten Speichersystems, das nach einem gemeinsam benutzten Speicherprotokoll nach der vorliegenden Erfindung arbeitet.
  • 4 zeigt eine Darstellung von Strängen, die nach der vorliegenden Erfindung Blöcken eines gemeinsam benutzten Speichers zugewiesen sind.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Operationen, die von einem gemeinsam benutzten Speicherzuordnungs- und -koordinierungsverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nachstehend wird ausführlich auf eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung verwiesen, wie sie in den anliegenden Zeichnungen gezeigt ist. Nach Möglichkeit werden in den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
  • Übersicht
  • Entsprechend den Verfahren und Systemen nach der vorliegenden Erfindung gibt ein Programmierer, der ein Multithreading-Anwendungsprogramm schreibt, in dem Programm einen Gesamtbetrag des Speicherplatzes an, der von den Programmsträngen während der Ausführung gemeinsam benutzt werden soll. Außerdem gibt der Programmierer eine „Blockgröße" an, das heißt die Größe jeder Partition des Gesamtspeicherplatzes, der den Strängen während der Ausführung nach Bedarf zugewiesen werden soll. Die Blöcke des gemeinsam benutzten Speicherplatzes werden den Stränge fortlaufend zugewiesen, was bedeutet, dass, wenn ein Strang Speicher benötigt (zum Beispiel weil die von dem Strang ausgeführte Berechnungsaufgabe die gegenwärtige Speicherzuteilung des Strangs überschreitet), der Strang bestimmt, ob seine Anforderung verarbeitet werden kann; falls ja, wird dem Strang der nächste verfügbare Block in dem gemeinsam benutzten Speicherplatz zugewiesen. Jeder Strang kann eine eindeutige Kennung aufweisen, und alle Strangkennungen können zu Beginn der Programmausführung angegeben werden. Speicherblöcke können den Strängen unter Verwendung der Kennungen zugewiesen werden. In einem ausgewiesenen Bereich des gemeinsam benutzten Speichers können auch Informationen zur Identifizierung jedes Strangs anhand seiner Kennung sowie der bestimmten Blöcke des gemeinsam benutzten Speichers, die jedem Strang zugewiesen sind, enthaften sein.
  • Ein Indikator für den nächsten verfügbaren Block in einem ausgewiesenen Bereich des gemeinsam benutzten Speichers enthält Informationen zur Angabe der Position (das heißt der Anfangsadresse) in dem gemeinsam benutzten Speicher für den nächsten verfügbaren Block. Da alle Blöcke dieselbe Größe aufweisen, wird der Indikator am Schluss jedes Speicherzuordnungszyklus einfach mit einem festen Wert auf der Grundlage der Blockgröße aktualisiert.
  • Der Programmierer gibt auch ein gemeinsam benutztes Speicherprotokoll für die Stränge an. Dieses Protokoll, das als Teil des Programms selbst oder getrennt von dem Programm enthalten sein kann, besteht aus einer Reihe von Regeln, die bestimmen, wie die Stränge zusammenwirken, um zur Durchführung der Speicherzuordnungsfunktion auf den gemeinsam benutzten Speicher zuzugreifen. Wenn ein Strang Speicher benötigt, bestimmt er nach diesem Protokoll zuerst, ob ein anderer Strang gegenwärtig zur Zuordnung von Speicher auf den gemeinsam benutzten Speicherplatz zugreift. Dies kann durch Vorsehen eines „Token" in einem ausgewiesenen Bereich des gemeinsam benutzten Speicherplatzes erfolgen. Der bedürftige Strang stellt fest, ob das Token verfügbar ist, was bedeutet, dass derzeit kein anderer Strang auf den gemeinsam benutzten Speicherplatz zugreift, der einem Speicherblock zugeordnet werden soll. Ist das Token verfügbar, „belegt" der bedürftige Strang das Token (das heißt er gibt an, dass das Token gegenwärtig nicht verfügbar ist) und fährt mit der Zuordnung des nächsten verfügbaren Blocks fort.
  • Ist das Token jedoch belegt, das heißt ein anderer Strang greift auf den gemeinsam benutzten Speicherbereich zu, der einem Speicherblock zugeordnet werden soll, fährt der bedürftige Strang nicht fort. Stattdessen überwacht der bedürftige Strang das Token und wartet, bis es verfügbar wird, woraufhin dem Strang ein nächster verfügbarer Speicherblock zugewiesen werden kann.
  • Nachdem ein Strang das Zuordnungsverfahren abgeschlossen hat, gibt er das Token frei, wodurch dieses für weitere Speicherzuordnungszyklen verfügbar wird. Nach Abschluss eines Zuordnungszyklus wird der Indikator für den nächsten verfügbaren Block aktualisiert, so dass der Indikator, wenn das nächste Mal ein Strang einen Speicherblock zugewiesen haben möchte, den nächsten verfügbaren Block widerspiegelt.
  • Obwohl der Zugriff auf den gemeinsam benutzten Speicherplatz ausschließlich für einen einzelnen Strang zum Ausführen des Zuordnungsverfahrens möglich ist, können alle parallel arbeitenden Stränge auf ihre zugewiesenen Blöcke zugreifen, auch wenn das Zuordnungsverfahren für einen bestimmten Strang läuft. Die einzige Beschränkung bei diesem System betrifft die Speicherblockzuordnung, wobei ein Block jeweils nur einem Strang zugewiesen sein kann. Darüber hinaus haben alle Stränge potenziell Zugriff auf den gesamten gemeinsam benutzten Speicherplatz. Mit anderen Worten, kein Strang hat die ausschließliche Kontrolle über einen bestimmten Block oder eine Gruppe von Blöcken, der bzw. die zu Beginn der Programmausführung angegeben worden sind.
  • Computerarchitektur
  • 1 zeigt ein beispielhaftes Datenverarbeitungssystem 100, das für die Anwendung der Verfahren und Implementierung von Systemen nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das Datenverarbeitungssystem 100 umfasst ein Computersystem 105, das mit einem Netzwerk 190 wie zum Beispiel einem LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network) oder dem Internet verbunden ist.
  • Das Computersystem 105 enthält einen Hauptspeicher 125, eine sekundäre Speichervorrichtung 130, einen Prozessor 140, eine Eingabevorrichtung 150 und eine Video-Anzeigevorrichtung 160. Alle diese Komponenten arbeiten in einer Weise, die dem Fachmann bekannt ist. Der Prozessor 140 führt zum Beispiel ein Betriebssystem und Anwendungsprogramme aus. Die Eingabevorrichtung 150 empfängt Benutzereingaben, und die Video-Anzeigevorrichtung 160 zeigt zum Beispiel das Ergebnis eines vom Prozessor 140 ausgeführten Anwendungsprogramms an.
  • Der Hauptspeicher 125 und die sekundäre Speichervorrichtung 130 können verwendet werden, um alle Teile des Betriebssystems und der Anwendungsprogramme zu speichern, wenn diese nicht vom Prozessor 140 ausgeführt werden. Für die Zwecke dieser Beschreibung ist der Hauptspeicher 125 in 1 jedoch so gezeigt, dass er sowohl ein Betriebssystem 120 als auch ein Anwendungsprogramm 110 enthält. Das Betriebssystem 120 steht für ein beliebiges Betriebssystem, obwohl ein Betriebssystem, das insbesondere die Ausführung von Multithreading-Progammen erleichtert, bevorzugt wird, zum Beispiel das Betriebssystem Solaris® von Sun Microsystems, Inc.
  • Das Anwendungsprogramm 110 ist ein Multithreading-Programm, das einen bestimmten Prozess unter Verwendung unabhängiger logischer Steuerstränge durchführt, die parallel auf dem Prozessor 140 ausgeführt werden. Obwohl ein einzelner Prozessor gezeigt ist, ist für den Fachmann ersichtlich, dass mehrere Prozessoren zur Implementierung von Verfahren und Anwendung von Systemen nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • Bei der Ausführung des Anwendungsprogramms 110 greifen dessen Stränge gemeinsam auf den Hauptspeicher 125 und den sekundären Speicher 130 zu. Spezifische Ausführungsformen von Speichern in einem Datenverarbeitungssystem können ein virtuellen Speicher verwenden, um bestimmte der mit einem Prozess verbundenen Daten zu speichern, so dass der Hauptspeicher die mit mehreren Prozessen verbundenen Daten speichern kann. Bei dieser Art von System greifen die Stränge auch gemeinsam auf den virtuellen Speicherbereich zu.
  • Das Anwendungsprogramm 110 weist ein gemeinsam benutztes Speicherprotokoll 115 auf. Das gemeinsam benutzte Speicherprotokoll 115 enthält eine Reihe von Richtlinien, die die Stränge beim Zugriff auf den Speicher beachten müssen. Das gemeinsam benutzte Speicherprotokoll 115 interagiert mit den Strängen einer Anwendung, die im Programm 110 läuft, und mit dem Speicher 125. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass andere Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung das gemeinsam benutzte Speicherprotokoll 115 getrennt von dem Programm 110 entweder in der Software oder in der Hardware implementieren können.
  • Obwohl Aspekte dieser Ausführungsform als im Speicher 125 enthalten gezeigt sind, ist für den Fachmann ersichtlich, dass das System und die Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ganz oder teilweise auf anderen computerlesbaren Medien wie zum Beispiel sekundären Speichervorrichtungen wie Festplatten, Disketten und CD-ROMs, über ein Netzwerk wie zum Beispiel das Internet empfangene digitale Signale oder andere Formen von RAM oder RAM gespeichert sein oder von diesen gelesen werden können.
  • 2 zeigt eine logische Darstellung mehrerer Stränge, die gemeinsam auf den Speicher zugreifen. Wenn mehrere Stränge gemeinsam auf den Speicher zugreifen, kann jeder der Stränge auf einen beliebigen Teil des Speichers zugreifen. 2 zeigt mehrere Stränge 210a bis 210n , die gemeinsam auf den Speicher 200 zugreifen. Weil jeder der Stränge 210a bis 210n gleichzeitig auf den gesamten Speicher zugreifen kann, ist es möglich, dass mehr als ein Strang einen Teil des Speichers benutzt, der von einem anderen Strang benutzt wird, was die Betriebsabläufe verwirrend macht. Daher konkurrieren die in einer gemeinsam benutzten Speicherumgebung arbeitenden Stränge miteinander um die Speicherbenutzung. Die Verfahren und Systeme nach der vorliegenden Erfindung sind zur Koordinierung der Verteilung des Zugriffs auf gemeinsam benutzten Speicher durch konkurrierende Stränge eingerichtet.
  • Gemeinsam benutztes Speicherzuordnungs- und -verteilungssystem
  • 3 zeigt eine logische Darstellung einer gemeinsam benutzten Speicherkonfiguration nach der vorliegenden Erfindung. Die Stränge 304, 306, 308 und 310 können einem oder mehreren Prozessen entsprechen, die parallel vom Prozessor 320 ausgeführt werden. Obwohl nur ein Prozessor 320 in 3 gezeigt ist, können die Verfahren und Systeme nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls in Umgebungen mit mehreren Prozessoren betrieben werden.
  • Der Speicher 340 enthält eine Dateizuordnungstabelle („FAT") 345. Um die parallele Ausführung mehrerer Stränge zu erleichtern, ist der Speicher 340 logisch in Segmente gleicher Größe unterteilt, wie durch den Benutzer eines gemeinsam benutzten Speichersystems festgelegt, das nach den Grundsätzen des gemeinsam benutzten Speicherprotokolls 330 arbeitet. Die Partitionsgröße wird verwendet, um einem Strang einen Speicherblock entsprechend einem Adressplatz zuzuweisen.
  • Wenn ein Anwendungsprogramm mit der Ausführung und Vermehrung seiner Stränge beginnt, stimmt jeder Strang zu, nach den Regeln des gemeinsam benutzten Speicherprotokolls 330 auf den Speicher 340 zuzugreifen. Das gemeinsam benutzte Speicherprotokoll 330 beschreibt das Format der FAT 345 für jeden Strang. Nach dem Protokoll 330 stimmt jeder Strang zu, einen Indikator zu beachten, der angibt, ob ein anderer Strang auf den Speicher zugreift, der einem Block zugewiesen werden soll, ehe er den Speicher für sich selbst sicherstellt. Das Protokoll 330 erlaubt es Strängen, die bereits den Zugriff auf einen Speicherblock sichergestellt haben, diesen Block für die Dauer der Ausführung der Anwendung zu benutzen. Jedes Mal, wenn ein Strang den Zugriff auf einen neuen Speicherblock sicherstellen muss, muss er die Regeln des gemeinsam benutzten Speicherprotokolls 330 beachten.
  • Wenn zum Beispiel der Strang 304 den Zugriff auf den Speicherblock 350 sichergestellt hat, kann er auf diesen Speicherblock für die Dauer der Ausführung eines Programms zugreifen. Während jedoch der Strang 306 den Zugriff auf den Speicherblock 355 sicherstellt, kann der Strang 304 nicht versuchen, den Zugriff auf einen anderen Speicherblock 340 sicherzustellen. Während der Strang 306 den Zugriff auf einen Speicherblock 340 sicherstellt, kann der Strang 304 nur auf die Speicherblöcke zugreifen, die er bereits sichergestellt hat. Sobald der Indikator in der FAT 345 anzeigt, dass der Strang 306 seinen gesicherten Betrieb beendet hat, kann der Strang 304 versuchen, einen zusätzlichen Speicherblock sicherzustellen.
  • Die FAT 345 wird verwendet, um einem Strang einen Speicherblock zuzuweisen. In der FAT 345 sind Tabellen, die den gegenwärtigen Zuordnungen von Speicherblöcke zu Strängen unter Verwendung von gemeinsam benutztem Speicher 340 entsprechen, ein Indikator, der angibt, ob ein Strang gegenwärtig versucht, den Zugriff auf einen Speicherblock sicherzustellen, und ein Zeiger enthalten, der einen nächsten verfügbaren Speicherblock angibt. Ein Strang stellt den Zugriff auf einen Speicherblock sicher, indem er eine Zuordnung für einen Speicherblock aus der FAT empfängt. Wenn ein Strang einen Speicherblock sicherstellt, erhöht er einen Zeiger in der FAT auf den nächsten verfügbaren Speicherblock, wie in 4 gezeigt.
  • 4 zeigt eine physikalische Darstellung, wie ein gemeinsam benutzter Speicher 400 mit Methoden und Systemen nach der vorliegenden Erfindung Strängen zugeordnet und verwaltet werden kann. Ehe ein Programm ausgeführt wird, gibt ein Benutzer sowohl die Größe eines gemeinsam benutzten Speichers 400 als auch die Größe der einzelnen Speicherblöcke 415, 420, 425 und 430 an. Jeder Speicherblock entspricht einer Gruppe von Adressen. Sobald die Größe des gemeinsam benutzten Speichers 400 und die Größe der Blöcke 415, 420, 425 und 430 festgelegt worden sind, bleiben sie während der Ausführung des Programms konstant.
  • Jeder Strang, der nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung auf den Speicher 400 zugreift, ist eindeutig identifizierbar. Bei Beginn der Ausführung eines ersten Strangs in einem Prozess wird dem Prozess ein Prozesskenncode zugewiesen. Wenn ein Strang die Zuordnung eines Speicherblocks empfängt, werden ihm ein Strangkenncode und ein Speicherplatzcode zugewiesen. Jeder Strang eines Programms kann durch einen globalen Strangkenncode, eine Kombination aus Prozesskenncode für den dem Strang entsprechenden Prozess und einem Strangkenncode, eindeutig identifiziert werden. Dieses Identifizierungsmerkmal ermöglicht es, dass Verfahren und Systeme nach der vorliegenden Erfindung jede Parallelverarbeitungsanwendung handhaben können, einschließlich Multithreading-Anwendungen sowie Anwendungen mit mehreren Prozessoren, auf denen Prozesse mit mehreren Strängen laufen.
  • Weitere Einzelheiten des Betriebs eines gemeinsam benutzten Speichersystems, das nach den Grundsätzen des gemeinsam benutzten Speicherprotokolls arbeitet, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 5 erläutert. Das gemeinsam benutzte Speicherprotokoll beginnt mit der Benutzerinitialisierung. Während der Initialisierung werden die Programmspezifikationen des Benutzers für die Größe sowohl des gemeinsam benutzten Speichers als auch der einzelnen Speicherblöcke festgelegt, die den Stränge zugewiesen werden, die auf den Speicher zugreifen (Schritt 505). Die Größe des gemeinsam benutzten Speicherbereichs und die Größe der Speicherblöcke haben keinen Einfluss auf den Betrieb eines gemeinsam benutzten Speicherzuordnungs- oder -verteilungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Daher kann der Benutzer die Größen mit einer beliebigen Anzahl von Kriterien angeben, zum Beispiel den Speicherbedarf einer Mehrzahl der laufenden Stränge.
  • Bevor er versucht, den Zugriff auf einen Speicherblock sicherzustellen, bestimmt der Strang, ob ein anderer Strang gerade den Zugriff auf einen Speicherblock sicherstellt. Wenn ein Strang feststellt, dass ein „Token" zur Sicherstellung des Zugriffs auf den Speicher verfügbar ist (Schritt 530), sichert der Strang einen Speicherblock für sich, indem er auf die FAT zugreift (Schritt 535).
  • Bei der Sicherstellung des Zugriffs auf einen Speicherblock wird die FAT verwendet, um dem Strang einen Speicherplatzcode zuzuweisen, der den Speicherplatz des Speicherblocks angibt, und einen Strangkenncode zur Identifizierung des Strangs in einem Prozess (Schritt 535). Weil den Strängen automatisch ein nächster verfügbarer Speicherblock zugewiesen wird, können Strängen von unterschiedlichen Prozessen aufeinander folgende Speicherblöcke zugewiesen werden. Jeder Strang erhält einen Speicherblock entsprechend der vom Benutzer bei der Initialisierung (Schritt 505) festgelegten Größe der Speicherblöcke. Benötigt ein Strang mehr Speicher als in einem einzelnen Speicherblock enthalten, werden dem Strang ausreichend Speicherblöcke zur Deckung seines angeforderten Bedarfs zugewiesen.
  • Nachdem alle Positions- und Kennungszuordnungen vorgenommen worden sind, wird ein Speicherzuordnungszähler, der im FAT-Bereich des gemeinsam benutzten Speichers geführt wird, weitergeschaltet (Schritt 540). Durch das Weiterschalten des Zählers wird das Setzen eines Zeigers auf einen nächsten verfügbaren Speicherplatz eingeleitet. Nachdem ein Strang den Zugriff auf einen Speicherblock sichergestellt hat, gibt der Strang das „Token" frei, damit ein anderer Strang den Zugriff auf einen Speicherblock sicherstellen kann (Schritt 545).
  • Ein Strang kann beliebig viele Speicheranforderungen ausgeben. Ein gemeinsam benutztes Speichersystem, das nach den Grundsätzen des gemeinsam benutzten Speicherprotokolls arbeitet, stellt sicher, dass alle ausgeführten Stränge, die Speicher benötigen, Gelegenheit erhalten, den Zugriff auf den Speicher sicherzustellen, indem das Speicherzuordnungsverfahren wiederholt wird, bis die Ausführung aller Stränge abgeschlossen ist (Schritt 550).
  • Fazit
  • Verfahren und Systeme nach der vorliegenden Erfindung koordinieren die Verteilung von gemeinsam benutztem Speicher unter den in einer Parallelverarbeitungsumgebung ausgeführten Steuersträngen. Die Verteilung gemeinsam benutzter Speicherressourcen nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung erfordert keinen Zugriff auf das Betriebssystem, was teuer und zeitaufwändig ist, um den gemeinsam benutzten Speicher unter den Strängen zu verteilen. Außerdem erfordert ein System nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung kein Verbot für konkurrierende Stränge bezüglich des Zugriffs auf einen gemeinsam benutzten Speicherbereich, während ein anderer Strang auf den Speicher zugreift.
  • Systeme nach der vorliegenden Erfindung eignen sich für alle Multithreading-Programme, die in allen Computer-Programmiersprachen einschließlich Fortran 77, Java, C und C++ geschrieben sind.
  • Obwohl vorstehend eine bestimmte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen in Bezug auf Form und Details möglich sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Zuordnen von Blöcken (350, 355, 360) eines gemeinsam benutzten Speichers (340) in einem Datenverarbeitungssystem (100), das einen einen ersten Strang (304) aufweisenden ersten Prozess und einem einen zweiten Strang (306) aufweisenden zweiten Prozess aufweist, wobei dem ersten und dem zweiten Prozess ein erster bzw. ein zweiter Prozesskenncode zugewiesen wird, und wobei: aufgrund der Feststellung, dass ein Token zur ausschließlichen Sicherstellung von Speicherzugriff zur Durchführung der Speicherzuordnung dem ersten Strang (304) zur Verfügung steht, durch den ersten Strang (304) auf eine Dateizuordnungstabelle (345) in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) zugegriffen wird, um Zugriff auf einen ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) sicherzustellen, aufgrund der Feststellung das Token von dem ersten Strang (304) sichergestellt wird, durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem ersten Strang (304) ein erster Speicherplatzcode zugewiesen wird, der einem Speicherplatz des ersten Blocks (350) entspricht, durch den ersten Strang (304) ein in der Dateizuordnungstabelle (345) enthaltener Zähler erhöht wird, der auf den nächsten verfügbaren Speicherblock in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) hinweist, das Token von dem ersten Strang (304) freigegeben wird, das Token von dem zweiten Strang (306) sichergestellt wird und durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem zweiten Strang (306) ein zweiter Speicherplatzcode zugewiesen wird, der einem Speicherplatz des nächsten verfügbaren Speicherblocks innerhalb des gemeinsam benutzten Speichers (340) entspricht, und wobei die Zuweisung des zweiten Speicherplatzcodes stattfindet, während der erste Strang (304) auf den ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) außer zur Durchführung der Speicherzuordnung zugreift.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Zuweisen eines Speicherplatzcodes: festgestellt wird, dass der erste Strang (304) Speicher benötigt, der größer ist als ein verfügbarer erster Block (350), und beginnend mit dem ersten verfügbaren Block genügend Speicherblöcke (350, 355, 360) des gemeinsam benutzten Speichers (340) zugewiesen werden, so dass die angesammelte Größe der zusätzlichen Speicherblöcke (350, 355, 360) einschließlich des ersten Blocks gleich oder größer ist als die Größe des von dem ersten Strang (304) angeforderten Speichers.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Zuweisen eines zweiten Speicherplatzcodes an den zweiten Strang (306): der in der Dateizuordnungstabelle (345) enthaltene Zähler von dem zweiten Strang (306) erhöht wird, und das Token von dem zweiten Strang (306) freigegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von einem Benutzer die Größe der Blöcke (350, 355, 360) eines gemeinsam benutzten Speichers (340) gewählt wird und die Wahl erfolgt, bevor der erste Strang (304) auf die Dateizuordnungstabelle (345) zugreift, um Zugriff auf den ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) sicherzustellen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Zuweisen eines ersten Speicherplatzcodes an den ersten Strang (304) durch die Dateizuordnungstabelle (345): eine von dem ersten Strang (304) ausgehende Speicherzuordnungsanforderung empfangen wird, der erste Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) dem ersten Strang (304) zugeordnet wird, von dem ersten Strang (304) auf den ersten Block (350) zugegriffen wird, aufgrund der Feststellung, dass das Token zur Sicherstellung von Speicherzugriff von dem zweiten Strang (306) sichergestellt ist, eine von dem ersten Strang (304) ausgehende zweite Speicherzuordnungsanforderung verweigert wird, der erste Block (350) dem ersten Strang (304) entzogen wird, wenn dieser mit der Benutzung des ersten Blocks fertig ist, das Token von dem zweiten Strang (306) freigegeben wird, eine von dem ersten Strang (304) ausgehende dritte Speicherzuordnungsanforderung empfangen wird und aufgrund der Feststellung, dass das Token dem ersten Strang (304) zur Verfügung steht, diesem ein zweiter Block des gemeinsam benutzten Speichers (340) zugeordnet wird, wobei der zweite Block dem ersten Strang (304) zugeordnet wird, während der zweite Strang (306) auf den gemeinsam benutzten Speicher (340) zugreift.
  6. Speicherzuordnungssystem mit einem gemeinsam benutzten Speicher (340) und mindestens einem Prozessor zur Ausführung eines einen ersten Strang (304) aufweisenden ersten Prozesses und eines einen zweiten Strang (306) aufweisenden zweiten Prozesses, wobei dem ersten und dem zweiten Prozess ein erster bzw. ein zweiter Prozesskenncode zugewiesen ist, und wobei der Prozessor in Reaktion auf eine von einem ersten Strang (304) ausgehende Speicherzuordnungsanforderung: aufgrund der Feststellung, dass ein Token zur ausschließlichen Sicherstellung von Speicherzugriff zur Durchführung der Speicherzuordnung dem ersten Strang (304) zur Verfügung steht, auf eine Dateizuordnungstabelle (345) in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) zugreift, um Zugriff auf einen ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) sicherzustellen, aufgrund der Feststellung das Token für den ersten Strangs (304) sicherstellt, durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem ersten Strang (304) einen ersten Speicherplatzcode zuweist, der einem Speicherplatz des ersten Blocks (350) entspricht, einen in der Dateizuordnungstabelle (345) enthaltenen Zähler erhöht, der auf den nächsten verfügbaren Speicherblock in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) hinweist, das Token für den ersten Strang (304) freigibt, das Token für den zweiten Strang (306) sicherstellt und durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem zweiten Strang (306) einen zweiten Speicherplatzcode zuweist, der einem Speicherplatz des nächsten verfügbaren Speicherblocks innerhalb des gemeinsam benutzten Speichers (340) entspricht, wobei die Zuweisung des zweiten Speicherplatzcodes stattfindet, während der erste Strang (304) auf den ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) außer zur Durchführung der Speicherzuordnung zugreift.
  7. System nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Prozessor einen Bereich des Speichers mit einer Adresse eines zugeordneten Speicherblocks aktualisiert.
  8. System nach Anspruch 6, wobei ein erster Prozess den ersten Strang (304) und ein zweiter Prozess den mindestens einen weiteren Strang ausführt.
  9. Computerlesbares Medium mit computerlesbaren Befehlen zur Durchführung eines Verfahrens auf einem Datenverarbeitungssystem (100) zum Zuordnen von Blöcken (350, 355, 360) eines gemeinsam benutzten Speichers (340), wobei das System einen einen ersten Strang (304) aufweisenden ersten Prozess und einen einen zweiten Strang (306) aufweisenden zweiten Prozess enthält, wobei dem ersten und dem zweiten Prozess ein erster bzw. ein zweiter Prozesskenncode zugewiesen sind, wobei: aufgrund der Feststellung, dass ein Token zur ausschließlichen Sicherstellung von Speicherzugriff zur Durchführung der Speicherzuordnung dem ersten Strang (304) zur Verfügung steht, durch den ersten Strang (304) auf eine Dateizuordnungstabelle (345) in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) zugegriffen wird, um Zugriff auf einen ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) sicherzustellen, aufgrund der Feststellung das Token von dem ersten Strang (304) sichergestellt wird, durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem ersten Strang (304) ein erster Speicherplatzcode zugewiesen wird, der einem Speicherplatz des ersten Blocks (350) entspricht, durch den ersten Strang (304) ein in der Dateizuordnungstabelle (345) enthaltener Zähler erhöht wird, der auf den nächsten verfügbaren Speicherblock in dem gemeinsam benutzten Speicher (340) hinweist, das Token von dem ersten Strang (304) freigegeben wird, das Token von dem zweiten Strang (306) sichergestellt wird und durch die Dateizuordnungstabelle (345) dem zweiten Strang (306) ein zweiter Speicherplatzcode zugewiesen wird, der einem Speicherplatz des nächsten verfügbaren Speicherblocks innerhalb des gemeinsam benutzten Speichers (340) entspricht, und wobei die Zuweisung des zweiten Speicherplatzcodes stattfindet, während der erste Strang (304) auf den ersten Block (350) des gemeinsam benutzten Speichers (340) außer zur Durchführung der Speicherzuordnung zugreift.
  10. Computerlesbares Medium nach Anspruch 9, wobei zum Bestimmen des nächsten verfügbaren Speicherblocks als Reaktion auf die Anforderung ein Bereich des Speichers mit einer Adresse des zugewiesenen Speicherblocks aktualisiert wird.
  11. Computerlesbares Medium nach Anspruch 9, wobei ein erster Prozess den ersten Strang (304) und ein zweiter Prozess den mindestens einen weiteren Strang ausführt.
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