JP2001005767A - 非同期データ入出力処理方法，データ処理装置および非同期データ入出力処理のプログラム記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 データ入出力処理においてユーザ空間とカー
ネル空間での同期をとるためのシステムコールによるオ
ーバヘッドを削減することを目的とする。 【解決手段】 ユーザ空間からカーネル空間への入出力
処理要求を要求リスト４として保持し，ユーザプロセス
２の要求リスト追加処理部２０は，新たな入出力処理要
求があった場合にその要求を要求リスト４に新規リスト
エントリとして追加する。カーネル３の要求リスト処理
部３０は，要求リスト４に追加された新規リストエント
リの要求を処理し，そのリストエントリの後に他のリス
トエントリが追加されている場合には，その要求に対す
る処理を続行する。このとき，前の新規リストエントリ
の状態は，後続するリストエントリの格納位置を記憶し
た後に処理完了とする。ユーザプロセス２の要求リスト
削除処理部２１は，カーネル空間での処理が完了したリ
ストエントリを要求リスト４から取り外す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，複数のノードをネ
ットワークで接続したコンピュータ・システムにおい
て，リスト構造を利用して排他制御なしに同期をとるこ
とにより，高速なデータ入出力を可能にした非同期デー
タ入出力処理の技術に関する。

【０００２】近年，ネットワーク上のコンピュータ・シ
ステムにおけるデータ入出力に対して，他のＣＰＵとの
通信および周辺装置との通信に対して高速化の要求が増
大してきている。このため，高速なデータ入出力処理方
式の実現がますます重要になってきている。

【０００３】

【従来の技術】コンピュータ・システム上でデータ入出
力を行う処理として，データの入出力を同期して行う従
来型のデータ入出力方式は，一連の作業でＣＰＵを占有
してしまうものであった。これに代わり，最近では，非
同期にデータの入出力要求を行うことができる非同期の
データ入出力方式が多く取り入れられてきている。

【０００４】また，コンピュータ・システム上でデータ
通信を行う際のデータの入出力においては，ユーザプロ
セス上のスレッドがカーネル空間内にある他のスレッド
と同期をとることが必要な場合，ユーザプロセス上のス
レッドは，システムコールを発行することで一旦カーネ
ル空間に遷移し，カーネル空間内部で同期をとるといっ
た手法が一般的に行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】コンピュータ・システ
ム上でデータ通信を行う処理として，データの入出力に
おいて，ユーザ空間のスレッドとカーネル空間のスレッ
ドで同期をとることが必要な場合，ユーザ空間のスレッ
ドがシステムコールを発行することにより，カーネル空
間へ遷移した上で，カーネル空間のスレッドと同期をと
る必要があった。しかしながら，システムコールは，他
のスレッド処理に比較して大きなオーバヘッドが伴うた
め，必要とはいえ処理時間の遅延の一つの原因となって
いた。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を図り，データ
入出力処理においてユーザ空間とカーネル空間での排他
制御なしに同期をとることができるようにし，システム
コールによるオーバヘッドを少なくした効率のよいデー
タ入出力を可能にすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は，データの入出
力を非同期に行う非同期データ入出力処理方式におい
て，ユーザ空間からカーネル空間への要求をリスト構造
として導入する。ユーザ側の要求は，ユーザ空間から新
規リストエントリを追加していく。カーネル空間はその
リストをたどり，ユーザ空間の要求を処理していく場合
に，既にカーネル空間でリストエントリ（以下では，要
素ともいう）の末尾の情報を保持しているかを確認し，
リストをたどる際に次の要素が有効であるか無効である
かによって処理の中止／続行をさせる操作をとること
で，ユーザ空間とカーネル空間での排他制御なしに同期
をとる。

【０００８】本発明は，データの入出力の処理におい
て，従来から必要とされてきた排他制御のためのシステ
ムコールによる同期制御を省略することで，システムコ
ールに付随していたオーバヘッドを取り除き，データの
入出力処理の高速化を図ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は，本発明の概要を説明する
図である。図１において，１はＣＰＵおよびメモリ等か
らなるデータ処理装置，２はユーザ空間で動作するアプ
リケーションなどのユーザプロセス，３はカーネル空間
で動作するオペレーティング・システムの核であるカー
ネル，４はユーザプロセス２からカーネル３への入出力
処理要求をキューで管理する要求リストを表す。

【００１０】要求リスト４は，ユーザ空間上に存在し，
リスト構造のリスト管理部Ｌからポイントされるキュー
によってユーザ空間からカーネルへの入出力処理要求の
情報を保持する。要求リスト４中の要素であるリストエ
ントリは，要求に関する情報の他に，その要求が未処理
であるか，処理中であるか，処理完了であるかの状態を
示す情報を持つ。

【００１１】ユーザプロセス２の要求リスト追加処理部
２０は，ユーザプロセス２において入出力処理要求があ
った場合に，その要求をカーネル３に伝えるために，そ
の要求の情報を格納した新規リストエントリＥを作成
し，状態を「未処理」として要求リスト４の末尾に追加
する。

【００１２】カーネル空間の要求リスト処理部３０は，
要求リストをたどり，「未処理」である新規リストエン
トリについてユーザ空間の要求を処理していく。ユーザ
空間の要求リスト削除処理部２１は，カーネル空間での
処理が完了したリストの要素を，リストの先頭から順番
に外していく。

【００１３】このような処理を行う場合においては，従
来技術では，要求リスト４に対してユーザプロセス２と
カーネル３の双方がアクセスするため，ユーザ空間から
リストエントリを追加する場合と，処理が完了したリス
トエントリをリストから外す際に，カーネル空間での処
理との同期が必要であった。

【００１４】本発明では，カーネル３の要求リスト処理
部３０は，新規リストエントリの要求を処理する際に，
既にカーネル空間内でリストエントリの末尾を保持して
いるかどうかを確認する。要求リスト４をたどり，要求
リスト４中の処理が完了した要素の次の要素の位置を示
す値ｎを参照し，無効な値が格納されていた場合には，
リストの末尾に到達したとして処理を中止し，有効な値
であれば，その未処理のリストエントリに対する処理を
続行する。この操作によって，ユーザ空間とカーネル空
間でのシステムコールによる同期は必要がなくなる。

【００１５】以上の処理をさらに詳しく説明する。図２
は，本実施の形態における要求リスト４のデータ構造を
示す。リストの管理部Ｌは，先頭のリストエントリＥへ
のポインタｐ_headと，最後のリストエントリへのポイン
タｐ_tailを持つ。各リストエントリＥは，カーネルの処
理状態を示す情報ｓと，カーネルが処理すべき内容が記
述されている情報ｃと，次のリストエントリの存在位置
を格納しておくポインタｎを内部に持つ。カーネルの処
理状態を示す情報ｓは，値として，未処理
（ｓ _notdone ），処理中（ｓ_busy），処理完了
（ｓ_done）の３つの値をいずれかをとる。

【００１６】ユーザプロセス２がカーネル３に対して処
理を要求する際には，ユーザ空間から新規リストエント
リＥを追加していくことになる。要求リスト４の各要素
は，カーネル３側からも排他制御なしで参照することが
可能になっている。ユーザ空間では，各リストエントリ
Ｅ中の処理状態を示す情報ｓを参照し，カーネル３での
処理が完了したリストの要素を先頭から順番に外してい
く。ユーザプロセス２は，リストエントリＥを追加した
後は，カーネル３がそのリストエントリの処理を完了す
るまで，そのリストエントリ中の次ポインタｎ以外の内
容を変更できないものとする。

【００１７】図３は，ユーザプロセス２が要求リスト４
に新規リストエントリを追加する場合の処理フローチャ
ート，図４は，その処理を説明する図である。

【００１８】ユーザプロセス２の要求リスト追加処理部
２０は，新しい入出力処理要求をカーネル４に伝えるた
めに，新規リストエントリＥ_new を要求リスト４に追加
する場合には，図３に示す処理を行う。ステップＳ１で
は，リスト管理部Ｌの最終ポインタｐ_tailをチェックす
ることで，リストエントリが全く接続されていないかど
うか，すなわち要求リスト４は空であるかどうかを判定
する。空である場合，ステップＳ２へ進み，空でない場
合，ステップＳ５へ進む。

【００１９】ステップＳ２では，図４（Ａ）に示すよう
に，リスト管理部Ｌの先頭ポインタｐ_headに，新規リス
トエントリＥ_new の格納位置を設定し，要求リスト４の
先頭に新規リストエントリＥ_new を登録する。また，次
のステップＳ３により，リスト管理部Ｌの最終ポインタ
ｐ_tailにも新規リストエントリＥ_new の格納位置を設定
し，新規リストエントリＥ_new をポイントする。

【００２０】その後，ステップＳ４により，カーネル３
に新規リストエントリＥ_new が追加されたことを通知す
る。カーネル３への通知の際には，新規リストエントリ
Ｅ_{ne w} の格納位置も通知する。以上で新規リストエント
リＥ_new の追加処理を終了する。

【００２１】新規リストエントリＥ_new の追加の際に，
要求リスト３が空でない場合には，ステップＳ５におい
て，リスト管理部Ｌの最終ポインタｐ_tailから要求リス
ト４の末尾の要素Ｅ_lastの格納位置を取り出し，ステッ
プＳ６では，図４（Ｂ）に示すように，末尾の要素Ｅ
_lastの次ポインタｎから新規リストエントリＥ_new をポ
イントし，要求リスト４に新規リストエントリＥ_new を
キューイングする。続いて，ステップＳ７では，リスト
管理部Ｌの最終ポインタｐ_tailに新規リストエントリＥ
_new の格納位置を設定し，新規リストエントリＥ_new を
ポイントする。

【００２２】その後，ステップＳ８では，元の末尾要素
Ｅ_lastの状態を示す情報ｓを調べ，カーネル３において
未処理（ｓ_notdone ）であるかどうかをチェックする。
未処理（ｓ_notdone ）以外の値であれば，ステップＳ４
へ進み，カーネル３に新規リストエントリＥ_new が追加
されたこととその格納位置を通知する。未処理（ｓ_no
tdone ）であれば，カーネル３に新規リストエントリＥ
_new が追加されたことを通知しないで，追加処理を終了
する。

【００２３】従来技術では，他のリストエントリが未処
理であるかどうかにかかわらず，新規リストエントリＥ
_new を追加したときには，カーネル３に必ず新規リスト
エントリＥ_new の追加を通知し，同期をとっていたのに
対し，本発明では，前に状態が未処理（ｓ_notdone ）の
リストエントリが残っていれば，新規リストエントリＥ
_new の追加をカーネル３に通知する処理を省略する。ユ
ーザプロセス２からカーネル３への通知にかかるＣＰＵ
時間のコストは一般に大きいため，以上の処理によっ
て，ユーザプロセス２からカーネル３への通知回数を削
減することにより，システム全体としての効率的な入出
力処理が可能になる。

【００２４】図５はユーザプロセス２が要求リスト４か
ら処理が完了したリストエントリを削除する場合の処理
フローチャート，図６はその処理を説明する図である。

【００２５】ユーザプロセス２の要求リスト削除処理部
２１は，カーネル３による処理が完了したリストエント
リを要求リスト４から削除するために，定期的にもしく
は処理完了の通知があったときに，またはその他の任意
の契機で図５に示す処理を行う。

【００２６】ステップＳ１０では，リスト管理部Ｌの先
頭ポインタｐ_headまたは最終ポインタｐ_tailをチェック
することにより，要求リスト４は空であるかどうかを判
定する。空である場合，リストエントリの削除は必要な
いので，削除処理を終了する。

【００２７】要求リスト４が空でない場合，ステップＳ
１１へ進み，リスト管理部Ｌの先頭ポインタｐ_headから
先頭要素Ｅ_headの格納位置を得る。ステップＳ１２で
は，その先頭要素Ｅ_headの状態を示す情報ｓを調べ，そ
の値が処理完了（ｓ_done）でなければ，その先頭要素Ｅ
_headは，まだカーネル３により処理されていないので，
ここで処理を終了する。

【００２８】先頭要素Ｅ_headの状態が処理完了
（ｓ_done）であれば，ステップＳ１３へ進み，リスト管
理部Ｌの先頭ポインタｐ_headに，先頭要素Ｅ_headの次ポ
インタｎに格納されている値を設定することにより，要
求リスト４から先頭要素Ｅ_headを取り外し，削除する
（図６（Ａ),（Ｂ）参照）。

【００２９】次に，ステップＳ１４において，要求リス
ト４が空になったかどうかを調べ，空になっていなけれ
ば，ステップＳ１１へ戻って，同様に処理を繰り返す。
要求リスト４が空になったならば，ステップＳ１５へ進
み，図６（Ｂ）に示すように，要求リスト４の最終ポイ
ンタｐ_tailを，先頭ポインタｐ_headと同じ値に変更する
ことで，要求リスト４が空になったことを示し，削除処
理を終了する。

【００３０】図７は，カーネル３が要求リスト４を処理
する際のフローチャートである。カーネル３の要求リス
ト処理部３０は，ユーザプロセス２からの通知を契機と
して，ユーザプロセス２が要求リスト４を通じて発行し
た処理要求を，以下のように処理する。

【００３１】ユーザプロセス２から新規リストエントリ
の追加とその格納位置の通知があると，ステップＳ２１
では，通知された新規リストエントリＥ_new を参照し，
要求内容ｃを見て，ユーザプロセス２から要求された処
理を開始する。ステップＳ２２では，その新規リストエ
ントリＥ_new の要求内容ｃの処理が完了したならば，こ
の新規リストエントリＥ_new の状態を示す情報ｓを「処
理中（ｓ_busy）」に設定する。

【００３２】次のステップＳ２３では，現在処理した新
規リストエントリＥ_new の次ポインタｎをチェックし，
カーネル３が新規リストエントリＥ_new の要求を処理し
ている間に，ユーザプロセス２により新しいリストエン
トリＥ_new ′が追加されたかどうかを調べる。新しいリ
ストエントリＥ_new ′が追加されていれば，ステップＳ
２４へ進み，追加されていなければ，ステップＳ２５へ
進む。

【００３３】ステップＳ２４では，新たに追加されたリ
ストエントリＥ_new ′の格納位置を記憶（保持）してお
き，状態が「処理中（ｓ_busy）」となっている前の新規
リストエントリＥ_new の状態を示す情報ｓの値を「処理
完了（ｓ_done）」に設定する。さらに，新たに追加され
たリストエントリＥ_new ′を，処理対象の新規リストエ
ントリＥ_new として，ステップＳ２１からの処理を繰り
返す。

【００３４】ユーザプロセス２によるリストエントリの
追加がなかった場合には，ステップＳ２５において，新
規リストエントリＥ_new の状態を示す情報ｓの値を「処
理中（ｓ_busy）」から「処理完了（ｓ_done）」に変更
し，処理を終了する。

【００３５】上記ステップＳ２２において，まず状態を
示す情報ｓの値を「処理中（ｓ_busy）」に設定するの
は，前述した図３に示すユーザプロセス２の新規要求追
加処理のステップＳ８，Ｓ４の処理に関連して，カーネ
ル３への通知が欠落する可能性を防ぐためである。

【００３６】上記ステップＳ２４の処理で，一度新たに
追加されたリストエントリＥ_new ′の格納位置を記憶し
てから，状態を示す情報ｓの値を変更する理由を，以下
に述べる。もし，ステップＳ２４の処理で，状態を示す
情報ｓの値を直接「処理完了（ｓ_done）」に変更してか
ら，次のリストエントリを参照するという手順で処理を
実行した場合，ｓの値を「処理完了（ｓ_done）」に変更
にした時点で，その新規リストエントリＥ_new は，図５
に示す要求リスト削除処理部２１の処理によってユーザ
プロセス２により削除されてしまう可能性がある。この
結果，リストエントリの次ポインタｎの値も変更されて
しまうことになる。もし，次ポインタｎの値が変更され
てしまった場合には，そのタイミングによっては，カー
ネル３において次に追加された新しいリストエントリの
参照ができなくなり，処理論理の矛盾をきたす可能性が
ある。本実施の形態では，カーネル３が処理した新規リ
ストエントリＥ_new の状態を示す情報ｓの値を，一旦
「処理中（ｓ_busy）」に設定し，新規リストエントリＥ
_new の次ポインタｎの値である新たなリストエントリＥ
_new ′の格納位置を記憶してから，新規リストエントリ
Ｅ_new の状態を示す情報ｓの値を「処理中（ｓ_busy）」
から「処理完了（ｓ_done）」に変更し，その新規リスト
エントリＥ_new の削除を可能にするので，次ポインタｎ
の値が変更されてしまうことによる処理矛盾の発生を防
ぐことができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
コンピュータ上におけるデータの入出力処理において，
従来から必要とされてきた排他制御のためのシステムコ
ールによる同期制御を省略することで，システムコール
に付随していたオーバヘッドを取り除き，データ入出力
にかかる処理時間の短縮を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概要を説明する図である。

【図２】要求リストのデータ構造の例を示す図である。

【図３】ユーザプロセスの新規要求追加処理を示すフロ
ーチャートである。

【図４】ユーザプロセスの新規要求追加処理を説明する
図である。

【図５】ユーザプロセスの要求リストの削除処理を示す
フローチャートである。

【図６】要求リストの削除処理を説明する図である。

【図７】カーネルの要求リスト処理を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１ データ処理装置（ＣＰＵ／メモリ） ２ ユーザプロセス ２０ 要求リスト追加処理部 ２１ 要求リスト削除処理部 ３ カーネル ３０ 要求リスト処理部 ４ 要求リスト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岸本 光弘 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 福井 恵右 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 5B014 FB04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ユーザ空間のプロセスからの入出力処理
   要求を，カーネル空間において非同期に処理する非同期
   データ入出力処理方法において，ユーザ空間からカーネ
   ル空間への入出力処理要求をリスト構造で保持し，ユー
   ザ空間のプロセスは，新たな入出力処理要求があった場
   合にその要求を前記リストに新規リストエントリとして
   追加し，カーネル空間での処理が完了したリストエント
   リを，前記リストから取り外し，カーネル空間のプロセ
   スは，前記リストに追加された新規リストエントリの要
   求を処理し，そのリストエントリの後に他のリストエン
   トリが追加されていない場合には，新規リストエントリ
   の状態を処理完了とし，そのリストエントリの後に他の
   リストエントリが追加されている場合には，その追加さ
   れたリストエントリの格納位置を保持してから前の新規
   リストエントリの状態を処理完了とし，その後に追加さ
   れたリストエントリの要求に対する処理を続行すること
   を特徴とする非同期データ入出力処理方法。
2. 【請求項２】 ユーザ空間とカーネル空間を有し，ユー
   ザ空間のプロセスからの入出力処理要求を，カーネル空
   間において非同期に処理する機能を持つデータ処理装置
   において，ユーザ空間からカーネル空間への入出力処理
   要求をリスト構造で保持する要求リスト記憶手段と，ユ
   ーザ空間のプロセスにおいて新たな入出力処理要求があ
   った場合にその要求を前記要求リストに新規リストエン
   トリとして追加する要求リスト追加処理手段と，カーネ
   ル空間での処理が完了したリストエントリを前記要求リ
   ストから取り外す要求リスト削除処理手段と，カーネル
   空間のプロセスにおいて前記要求リストに追加された新
   規リストエントリの要求を処理し，そのリストエントリ
   の後に他のリストエントリが追加されていない場合に
   は，新規リストエントリの状態を処理完了とし，そのリ
   ストエントリの後に他のリストエントリが追加されてい
   る場合には，その追加されたリストエントリの格納位置
   を保持してから前の新規リストエントリの状態を処理完
   了とし，その後に追加されたリストエントリの要求に対
   する処理を続行する要求リスト処理手段とを備えること
   を特徴とするデータ処理装置。
3. 【請求項３】 ユーザ空間のプロセスからの入出力処理
   要求を非同期に処理する非同期データ入出力処理方法を
   計算機に実行させるためのプログラムを記録した記録媒
   体であって，ユーザ空間からカーネル空間への入出力処
   理要求をリスト構造で保持し，ユーザ空間のプロセス
   は，新たな入出力処理要求があった場合にその要求を前
   記リストに新規リストエントリとして追加し，カーネル
   空間での処理が完了したリストエントリを，前記リスト
   から取り外し，カーネル空間のプロセスは，前記リスト
   に追加された新規リストエントリの要求を処理し，その
   リストエントリの後に他のリストエントリが追加されて
   いない場合には，新規リストエントリの状態を処理完了
   とし，そのリストエントリの後に他のリストエントリが
   追加されている場合には，その追加されたリストエント
   リの格納位置を保持してから前の新規リストエントリの
   状態を処理完了とし，その後に追加されたリストエント
   リの要求に対する処理を続行する処理を，計算機に実行
   させるプログラムを記録したことを特徴とする非同期デ
   ータ入出力処理のプログラム記録媒体。