スレッド、clone、futexとCMPXCHG

これは、スレッド（もしくはpthread）に関連するトピックについて、自分が過去に断続的に取ったメモのページです。理解を整理するためにまとめました。

pthreadの内部

pthreadsはcloneを呼び出す。これによりtask_structが作成される。

メモ:

• pthread（POSIXスレッド）はlibcの一部。ほとんどのLinuxではglibc（GNU Cライブラリ）によって実装されている。

• ユーザー空間で実装され、clone()やfutexなどのシステムコールを通じてカーネルとやり取りする。

• fork()もclone()を呼び出すが、異なるパラメータでの呼び出しになる。

• clone()には次のような異なるフラグが存在する：

  • CLONE_VM: メモリ空間（fork()はメモリ空間を共有しない）

  • CLONE_FS: ファイルシステム

  • CLONE_FILES: ファイルディスクリプタ

  • CLONE_SIGHAND: シグナルハンドラ

  • CLONE_THREAD: スレッド

  • CLONE_PARENT_SETTID:

  • CLONE_CHILD_CLEARTID:

メモ: libc vs カーネルのシステムコール

カーネルのシステムコールは移植性と安全性のためにlibcが標準インターフェイスとなる。man 2 [名前]はカーネルのシステムコールを説明し、man 3 [名前]はlibcの関数を説明するが、man 2でもライブラリセクションにlibcが表示されることが多い。

libc関数が単なるラッパーか、システムコールの上にさらにロジックを持っているかを調べるためには、その関数の内部や知識が必要。しかし、関数がman 3にしか存在しない場合、それはlibcの中でシステムコールをラップしているカスタム関数であることが分かる。

カーネルの観点

プロセスとスレッドの両方は、カーネル内でtask_structとして扱われる。

• スケジューリング: 統一タスクスケジューリング

  カーネルはプロセスとスレッドを異なる方法でスケジュールしない。

  • プリエンプティブマルチタスキング: OSはスレッド間で中断し、切り替えを行うことができる。（OSはハードウェアのタイマー割り込みを使用。）

  • マルチタスキングの基準:

    • タイムスライス（クォンタム）

    • I/O操作

    • 優先順位

  • 完全公平スケジューラ（CFS）がデフォルト。リアルタイムのための他のポリシーとして、SCHED_FIFOとSCHED_RRなども存在。

• スレッドの状態（レジスタ、プログラムカウンタ、スタックポインタなど）はスレッド制御ブロック（TCB）として保存され、プロセスの状態はプロセス制御ブロック（PCB）として保存される。

• スレッドとプロセスの違い:

  • スレッドのtask_structはプロセスのスレッドグループの一部となる。

  • スレッドの構造体は共有リソースを指す。

カーネルスケジュールの制御

• CPUアフィニティ: スレッド/プロセスが実行できるCPUコアを決定します。

  スレッドを特定のコアにバインドし、コンテキストスイッチを減少させ、キャッシュ利用効率を向上させる為に使用。

  • sched_setaffinity(pid, cpusetsize, mask)

  • sched_getaffinity(pid, cpusetsize, mask)

• ポリシー: 異なるポリシーを設定できる。

  sched_setscheduler(pid, policy, param) とsched_getscheduler(pid)

  • SCHED_OTHER: デフォルトのLinuxタイムシェアリングスケジューラ

  • SCHED_FIFO: 先入れ先出しのリアルタイムスケジューリング

  • SCHED_RR: ラウンドロビンのリアルタイムスケジューリング

  • SCHED_IDLE: バックグラウンドタスク用の非常に低い優先度

  • SCHED_BATCH: バッチ処理ジョブに適した設定

• 優先順位: 優先順位も設定できる。

  setpriority(which, who, priority) とgetpriority(which, who)

  • type: PRIO_PROCESSなど

  • who: 識別子

  • priority: 新しい優先度の値

• コマンド:

  niceとreniceは優先度を変更する。

  • 値は-20（最も高い優先度）から19（最も低い優先度）の範囲。

• pthread:

  • pthread_setschedparam とpthread_getschedparam: スケジューリングポリシーとパラメタ

  • pthread_attr_setschedpolicy とpthread_attr_setschedparam: スレッドの属性

ユーザーレベルスレッド

• コルーチン: 実行を一時停止し、後で再開できる関数。Python（async/await）、Kotlin、Luaで一般的。

• ファイバー: コルーチンに似ているが、一般的により汎用的。RubyやC++にライブラリあり。

• m:nスレッド: m個のユーザーレベルスレッドがそれより少数のn個のカーネルスレッドにマッピングされます。

  • 利点: 柔軟性 / nを調整可能 / コンテキストスイッチなし / ブロッキング操作を避ける処理可能

  • 欠点: 複雑 / デバッグ / 限定的なOSサポート（LinuxとWindowsは1:1スレッドモデルを使用）

  • OSレベル: 単純化そして効率化のためほとんど1:1（古いSolarisとGNU Portable Threadsはm:nマッピングを提供）

  • 例:

    • Go: goroutinesは少数のOSスレッドにスケジュールされる。

    • Erlang: BEAM仮想マシンを通じて、軽量プロセスは少数のOSスレッドにスケジュールされる。

    • NodeJS: モデルは違うが、イベントループ（イベント駆動アーキテクチャ）を通じて少数のスレッドで複数のタスクが並行して処理される。

1:1モデルのみの言語

JavaやRustはm:nやグリーンスレッドのモデルを言語として提供せず、1:1のOSネイティブなスレッドの呼び出しのみを言語としてサポートする。

それに伴いこれらの言語ではm:n、グリーンスレッドやファイバーの機能は言語サポート外のライブラリとして実装、提供される。

同期機構

複数のスレッドがある場合、競合を処理する必要あり。pthreadはミューテックス、条件変数、セマフォなどの同期プリミティブを提供。

• Mutex (pthread_mutex_t): 一度に1つのスレッドのみが特定のコード（メモリ）にアクセスできるようにする。

  • futexを使用。

  • 所有権がある: ロックの所有者スレッドだけが更新できる。

  • 実装: 内部ステート（カーネルまたはOSがスレッドのblockとwakeupのメカニズムを提供）

• Condition variable (pthread_cond_t): 特定の条件が満たされるまでスレッドをブロックする。通常はミューテックスと組み合わせて使用される。

  • 関連するミューテックスを解放し、futexを使用して他のスレッドからのシグナルやブロードキャストを待つ。

• Semaphore (sem_t): 共有リソースへのアクセスを制御。

  • ミューテックスに似ていて、セマフォカウントがゼロであり、スレッドがそれを減少させようとすると、スレッドはfutexを使用して待機する。カウントが増加すると、futexを使用して待機しているスレッドの1つを起こす。

  • 所有権なし：どのスレッドからでも変更可能。

  • 使用例: リソースプール（例: DB接続プール）/ producer/consumerの可用性管理

  • 実装: カウンタ + キュー

Futex

“Fast userspace mutex”の略。競合が発生した場合のみ、futexはカーネルとやり取りする。

メモ:

futexはカーネルの関与を最小限に抑えるように設計されているため、一見カーネルの一部ではないように見えるが、実際にはカーネルの構成要素。

• 高速パス: ミューテックスが解放されている→ロックが取得される（ユーザー空間のみ）

• 遅延パス: ミューテックスが解放されていない→スレッドがシステムコールを行い、カーネルはミューテックスが解除されるまでスレッドをスリープさせる。

• futexは、スレッドを効率的にスリープさせ、ウェイクアップするメカニズムを提供し、カーネルが待機キューを管理する。

  • futex_wait: スレッドがfutex変数（通常は特定のメモリ位置）を待っていることを示すために使用される。条件が満たされていない場合（例: ロックが既に保持されている場合）、カーネルはスレッドをスリープさせる。

  • futex_wake: futex変数を待機している1つまたは複数のスレッドを起こすために使用される。ロックが解除されたり条件が変わったりしたとき、futex_wakeを使用して待機中のスレッドに通知し、それによってスレッドが実行を続ける。

• コンペア・アンド・スワップ（CAS）: ロック取得に使用されるアトミック操作。

  • X86/64: EAX, EBX, ECX（汎用レジスタ）またはRAX, RBX, RCX（64ビット汎用レジスタ）などを使い、CMPXCHG destination, sourceの命令。

  • Arm: 汎用レジスタ（例: r0, r1, etc.）上でLDREX（ロード専用）およびSTREX（ストア専用）の命令。

      LDREX r0, [address]      ; 'address'の値を'r0'にロード
      CMP r0, old_value        ; ロードした値を'old_value'と比較
      STREXEQ r1, new_value, [address] ; 等しい場合、'new_value'を'address'にアトミックに格納