JP2001014177A - 非同期データ入出力処理方法およびそのプログラム記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】非同期データの入出力処理において，データ領
域の固定処理を行うスレッドが長時間，ＣＰＵ時間を占
有しないようにし，効率のよいデータ入出力を可能にす
る。 【解決手段】ユーザ空間のプロセスからの入出力処理要
求を処理するスレッドを第１のスレッド(T0,T1, …) と
第２のスレッド(A0,A1, …) とに分離し，第１のスレッ
ドは，ユーザ空間のプロセスからデータの入出力処理要
求があった場合にデータ領域Dnの確保を行った後，第２
のスレッドを呼び出し，他のスレッドがＣＰＵ時間を確
保できるように処理を中断し，第２のスレッドは，一連
の非同期のデータ入出力のための処理を終えた後，カー
ネルシステムの条件変数を活用し，状態変数を導入して
適切な値を書き込み，次に第１のスレッドは，これらの
変数が適切な値になったことを確認して，中断していた
処理を引き続き実行する。

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，もしくはノードと周辺装置で接続したコンピュータ
・システムにおいて，ノード間またはノードと周辺装置
間のデータ入出力処理を行う技術に関し，特に，データ
領域の固定処理で，スレッドがＣＰＵを保持し続けない
よう条件変数（condition variable）と状態変数(statu
s variable）とを用いて他のスレッドと並列に処理でき
るようにした非同期データ入出力処理方式に関する。

【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】このような非同期のデータ入出力処理で
は，ユーザプロセス上のスレッドが所定の入出力関数を
発行することによって，カーネル空間において各デバイ
スごとに入出力を処理するデバイスドライバのスレッド
を起動し，そのカーネルのスレッドによって，ユーザプ
ロセスのスレッドから要求された実際の入出力を行って
いた。なお，スレッドは，ＣＰＵ時間を獲得する処理の
単位である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】コンピュータ・システ
ム上で非同期にデータの入出力処理を行わせる場合，デ
ータの入出力対象となるデータ領域は，仮想記憶制御な
どによって他のプロセスに再割当てされてしまうことが
ないように確保して固定する必要がある。このデータ領
域の固定処理は，必ずシリアライズして行わなければな
らない。このため，この処理を行うスレッドはＣＰＵ時
間を長く占有してしまう問題があった。

【０００６】本発明は上記問題点の解決を図り，データ
領域の固定処理を行うスレッドが長時間，ＣＰＵ時間を
占有しないようにし，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法におい
て，データ領域の固定を行うスレッドの処理で，ＣＰＵ
時間を保持し続けないように，カーネルシステムの条件
変数を活用し，本発明のシステムに状態変数を導入し
て，処理を複数のスレッドに分担させることで，並列処
理を可能とすることを特徴とする。

【０００８】すなわち，ユーザ空間のプロセスからの入
出力処理要求を処理するカーネルのスレッドを第１のス
レッドと第２のスレッドとに分離し，第１のスレッド
は，ユーザ空間のプロセスからデータの入出力処理要求
があった場合にデータ領域の確保を行った後，カーネル
システムの条件変数を活用し，本発明のシステムに状態
変数を導入して第２のスレッドを呼び出し，他のスレッ
ドがＣＰＵ時間を確保できるように処理を中断し，第２
のスレッドは，一連の非同期のデータ入出力のための処
理を終えた後，前記条件変数を活用し，前記状態変数に
適切な値を書き込み，そこで，第１のスレッドは，前記
条件変数を活用し，前記状態変数の値が適切な値になっ
たことを確認して，中断していた処理を引き続き実行す
る。

【０００９】ここで状態変数に適切な値を書き込むと
は，例えば状態変数に，処理中の意味を持つ“１”また
は処理が完了した意味を持つ“０”を代入することを意
味する。なお，状態変数はこのような２値に限られるわ
けではなく，他の複数の状態を表すことができる変数と
して定義することもできる。

【００１０】本発明の作用は，コンピュータ・システム
上でデータ通信を行うためのデータの入出力の処理にお
いて，スレッドの一連の処理を２つのスレッドに分離
し，カーネルシステムの条件変数の活用と本発明のシス
テムに状態変数を導入して，第１のスレッドがＣＰＵを
保持し続けないようにすることで，他のスレッドに処理
を渡すことを可能とするものであり，これにより，ＣＰ
Ｕ時間の割当ての効率化を図ることができる。

【００１１】以上の処理方法を計算機によって実現する
ためのプログラムは，計算機が読み取り可能な可搬媒体
メモリ，半導体メモリ，ハードディスクなどの適切な記
録媒体に格納することができる。

【００１２】

【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，Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２はユーザ空間
で動作するユーザプロセススレッド，Ｄは入出力処理要
求を受け付けるデバイスエントリ，Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２は
カーネル空間で動作し入出力処理要求を処理するカーネ
ルスレッド，Ａ０，Ａ１，Ａ２はカーネル空間で動作し
入出力処理要求を処理する第２のスレッドである非同期
スレッド，Ｔは各スレッドＴ０，…に対応する条件変数
と状態変数を管理する管理表，Ｄ１，…，Ｄｎ，…は入
出力のためのデータ領域を表す。

【００１３】管理表Ｔにおける状態変数は，各条件変数
に付随した処理状態を示す変数である。この状態変数
を，例えば“０”であれば処理未完了，“１”であれば
処理完了を示すフラグによって構成してもよい。Ｅ０，
…，Ｅｎ，…は，各カーネルスレッドＴ０，…，Ｔｎ，
…に対応するエントリ番号である。条件変数は，例えば
ＵＮＩＸ系のオペレーティング・システム等で知られて
いるカーネルシステムが持つ変数であり，ドライバのプ
ログラムが値を代入できないのに対し，状態変数は，本
システムにおいて導入した変数であり，ドライバのプロ
グラムが値を設定して状態を遷移させるために用いるも
のである。

【００１４】例えば，ユーザプロセススレッドＰ０から
デバイスエントリＤを通してデータの入出力処理要求が
あった場合，カーネルスレッドＴ０は，データ領域Ｄ１
の確保を行った後，非同期スレッドＡ０を起動するため
のデータ入出力関数の呼び出しを行う。この際に，カー
ネルシステムの条件変数ｃｖ１をカーネルシステムのた
めに用意し，一方で状態変数ｓｔ１に適切な値を与え
る。

【００１５】呼び出された非同期スレッドＡ０は，一連
の処理を終えた後，この条件変数ｃｖ１を活用し，この
状態変数ｓｔ１に適切な値を書き込む。カーネルスレッ
ドＴ０は，条件が合うまで処理を中断し，他の処理，例
えばカーネルスレッドＴ１，Ｔ２などがＣＰＵを使用で
きるようにする。条件が合えば，スレッドＴ０のそれ以
降の処理を引き続き行い，処理が終了した後，データ領
域Ｄ１に適切な値を格納する。

【００１６】従来技術では，カーネルスレッドＴ０の処
理と非同期スレッドＡ０の処理とが，同じ一つのスレッ
ドで行われていたため，そのスレッドの処理が完全に終
了するかスリープ（ウェイト）状態になるまで，他のデ
ータ入出力処理要求を処理するスレッドが動作できなか
ったが，本発明では，図１に示すように，カーネル空間
において入出力処理要求を処理するスレッドが，カーネ
ルスレッドＴ０（第１のスレッド）と，非同期スレッド
Ａ０（第２のスレッド）とに分離されているため，カー
ネルスレッドＴ０から非同期スレッドＡ０を起動して処
理を依頼した時点で，他のスレッド，例えばカーネルス
レッドＴ１，Ｔ２などにＣＰＵ時間を渡すことができ
る。

【００１７】図２は，本発明を実施するシステム全体の
構成図である。本発明は，例えば図２に示すようなシス
テムにおいて実現される。図２に示すシステムは，ＡＴ
＆Ｔベル研究所が開発したＵＮＩＸ系のオペレーティン
グ・システムを用いるシステムであり，ユーザ空間とカ
ーネル空間とでそれぞれ動作するソフトウェアと，周辺
機器を含む計算機のハードウェアからなる。ここでは，
特にデータ通信に関連する本発明に関係する部分だけを
示している。

【００１８】アプリケーションプログラム(Applicatio
n）２０は，ユーザの業務処理を遂行するプログラムで
ある。ライブラリ(Library）２１は，アプリケーション
プログラム２０にリンクされる通信ライブラリインタフ
ェースである。システム監視部（Manager daemon）２２
は，本システムの初期化および状態の監視を行うデーモ
ンであり，終了についても司る。

【００１９】カーネル空間において入出力を実行するた
めのドライバには，以下の処理部がある。インスタンス
管理部（Instance）２４は，本システムで使用し，ノー
ド間データ通信でのエンドポイントとなるインスタンス
を管理する。また，これらを管理するための管理構造体
を保持する。接続管理部２５は，このシステムのインス
タンス間で行われる接続の管理部である。メモリ管理部
(Memory & Protection）２６は，このシステム内で使用
されるメモリとその保護のための管理部である。通信管
理部(Communication）２７は，インスタンス間で行われ
る通信の管理部であり，ネットワークインタフェースコ
ントローラ３２を直接制御する機能も持つ。デバイスの
制御振り分け部（Device）２８は，システム監視部２２
またはライブラリ２１からの要求を受け，システム内の
該当する処理部に振り分ける。同期制御部（Synchronu
s）２９は，ドライバ内の同期を制御する。

【００２０】インタフェース部（/dev/nic）３０は，ラ
イブラリ２１との間のインタフェースであり，インタフ
ェース部（/dev/admin）３１は，システム監視部２２と
の間のインタフェースである。ネットワークインタフェ
ースコントローラ（NetworkInterface Controller）３
２は，ネットワークを介した通信のためのハードウェア
である。

【００２１】以上の各部の処理機能は，あらかじめシス
テムに用意された入出力関数によって呼び出されるもの
であるが，ＵＮＩＸ系オペレーティング・システム等に
おいて知られている技術であるので，ここでのこれ以上
の詳しい説明は省略する。

【００２２】図３は，条件変数を用いた待ち合わせ処理
の説明図である。本発明では，条件変数を用いてスレッ
ドの細分化を行っている。図３に示すように，ユーザプ
ロセススレッドＰｎが，入出力処理要求部４０にて例え
ばカーネルのデバイスドライバに対して非同期のリード
処理を行うように要求する関数aioread() を呼び出す
と，カーネルスレッドＴｎが起動される。

【００２３】カーネルスレッドＴｎでは，非同期処理呼
び出し部４１にて第２のスレッドである非同期スレッド
Ａｎを呼び出し，条件変数待ち合わせ部４２にて要求し
た処理が終了するのを待つ。この待ち合わせの間，カー
ネルスレッドＴｎはスリープ状態になり，他のスレッド
がＣＰＵ時間を得ることができる。

【００２４】非同期スレッドＡｎでは，入出力処理要求
実行部４３により要求された入出力処理のオペレーショ
ンを実行し，処理が完了したならば，条件変数広報部４
４によって条件変数に付随する状態変数を更新した後，
条件変数の待ち合わせを解くための広報（ブロードキャ
スト）を行う。

【００２５】一般的な条件変数の使い方については，例
えばＵＮＩＸ系のオペレーティング・システムにおいて
知られている技術である。以下では，待ち合わせを行な
いたいスレッドと，待ち合わせを解くための広報をする
スレッドについての条件変数の使用方法について，具体
例に従って説明する。図４は，その条件変数の使用方法
の例を説明する図である。図４では，処理内容を周知の
プログラミング言語であるＣ言語によって記述した例を
表している。もちろん他の計算機言語を用いることもで
きる。

【００２６】まず，待ち合わせを行ないたいカーネルス
レッドＴｎでは，スレッドの待ち合わせたいポイント，
すなわち図３に示す条件変数待ち合わせ部４２で，図４
（Ａ）に示すような処理を実行する。ここで，kmutex＿
enter( &mutex ) は，排他変数mutex によって排他制御
を開始するための関数である。state は，システムの状
態ビット（状態変数）を示しており，そのビット状態
が，登録途中の状態であるという意味を示すOUTSTANDIN
G という状態である限りは，関数cv＿wait( … )を実行
するよう記述されている。関数cv＿wait( … )は，条件
変数condvar によって，条件が変わるまで状態を維持し
続ける処理を行う関数である。条件が変わって待ち合わ
せが解かれると，kmutex＿exit( &mutex )により，排他
変数mutexによる排他制御を終了する。

【００２７】次に，待ち合わせを解くための広報をする
非同期スレッドＡｎでは，そのスレッドの終了するポイ
ント，すなわち図３に示す条件変数広報部４４で，図４
（Ｂ）に示すような処理を実行する。まず，kmutex＿en
ter( &mutex ) により，排他変数mutex による排他制御
を開始する。次に，システムの状態ビットであるstate
のビット状態を，登録途中の状態であるという意味を示
すOUTSTANDING でない状態にセットする。その後，条件
変数condvar を用いて，関数cv＿broadcast( &condvar
) を実行する。cv＿broadcast( &condvar ) は，条件
が変わったことをカーネルドライバ内に広報する関数で
ある。その後，kmutex＿exit( &mutex )により，排他変
数mutex による排他制御を終了する。

【００２８】なお，システム異常時などにシステム登録
への処理の中途半端な状態で回収処理が進んでしまわな
いように，リソースの回収処理スレッド（図示省略）
に，図４（Ｃ）に示す処理シーケンスを入れておくこと
が望ましい。この処理は，図４（Ａ）に示す条件変数待
ち合わせ部４２の処理と同様であるが，この処理をリソ
ースの回収処理スレッドに組み込んでおくことで，異常
時の不具合を解消し，かつ処理の画一化および処理の高
速化を実現することができる。

【００２９】次に，本発明の方式を用いた非同期データ
入出力処理の流れについて説明する。

【００３０】(1) ユーザ空間からのデバイスドライバの
呼び出しは，ユーザプロセススレッドＰｎから非同期入
出力関数であるaioread() によって行われる。aiorea
d() 関数は，ユーザ側の呼び出しにより起動され，デバ
イスドライバに対し非同期のリード処理を行うように要
求する関数である。この関数をエントリポイントとし
て，デバイスエントリＤを通し，カーネルのデバイスド
ライバ側で，カーネルスレッドＴｎ内のaread() 関数を
窓口として入出力処理に必要な引数の受け渡しが行われ
る。

【００３１】(2) このデバイスドライバ側の窓口area
d() からは，メモリ管理部２６の関数を呼び出す。カー
ネルスレッドＴｎ内のこの関数では，必要となる管理構
造体へ情報をリンクし，データの固定処理に必要とされ
るデータ領域Ｄｎを確保する。確保に成功したら，デー
タの固定処理を非同期に呼び出すaphysio() 関数を呼び
出す。aphysio() は，デバイスドライバ側で呼び出され
る関数であり，該当するデバイスと入出力要求を管理す
る管理構造体の該当する要素が指し示すアドレス空間と
の間で，非同期の入出力オペレーションを行う関数であ
る。

【００３２】(3) 非同期スレッドＡｎであるaphysio()
では，strategy()関数の中で，実際に行う処理を記述す
るので，strategy()関数内でデータの固定処理を行うbp
＿mapin() を呼び出す。なお，strategy()関数は，ブロ
ックデバイス上のデータの数ブロックを読み書きするた
めにカーネルによって間接的に呼び出される関数であ
り，本システムではaphysio() 関数によって呼び出され
る。bp＿mapin() 関数は，デバイスドライバが仮想アド
レス空間を割り当てるのに用いる関数である。

【００３３】(4) strategy()関数では，bp＿mapin() 関
数によってデータの固定処理を行うが，処理が終了次
第，条件変数condvar を用いて処理の終了を待つカーネ
ルスレッドＴｎに対し広報を行わせる。

【００３４】(5) カーネルスレッドＴｎのメモリ管理部
２６の関数では，この広報によって終了を検知し，ユー
ザに対して処理の終了の通知として，デバイスエントリ
Ｄを通して，ユーザプロセススレッドＰｎにおいてハン
ドルの払い出しを行う。

【００３５】以上が本発明による処理の例であるが，従
来技術との違いは，本方式では，条件変数condvar を用
いて複数のスレッドで処理を分担しているのに対し，従
来技術では，条件変数condvar を用いていないことであ
る。

【００３６】従来技術による方式では，メモリ管理部関
数→aphysio() 関数→strategy()関数→bp＿mapin() 関
数→メモリ管理部関数という一連の処理は，一つのスレ
ッドとして取り扱われている。したがって，このスレッ
ドが一連の処理を行っている間，他のスレッドはＣＰＵ
時間を取得できない。

【００３７】一方，本方式では，一連の処理の中間部分
に位置するstrategy()関数に導入した条件変数condvar
によってスレッドを切り離すことができるため，処理を
細分化し，他のスレッドにＣＰＵ時間を明け渡すことが
できる。特に，非同期の処理においては，該当の非同期
関数内で待ち合わせが発生する可能性があるため，ＣＰ
Ｕ時間が無駄になることがある。これを本方式によって
最小限に抑えることもできる。

【００３８】さらに，本方式による非同期データ入出力
処理においては，次のような副次的な効用がある。例え
ば上述した処理(1) 〜(5) のいずれかで異常系の障害が
起きたと仮定する。こうした場合，リソースの回収処理
を行わなければならない。本方式では，条件変数condva
r とともに取り入れた状態変数に，現在，データ領域の
固定を行っている状態を示す値を入れておく。そうすれ
ば，固定中のデータ領域の処理中にリソースの回収を行
って，オペレーティング・システムには致命的なパニッ
クが生じるのを回避することが可能となる。また，条件
変数condvar の広報は，このリソース回収処理スレッド
にも通知することで，データ領域固定を完了した静的な
状態で処理を行わせる契機となる。

【００３９】一方，従来方式では，異常系の障害発生時
にはリソースの回収処理の契機を得ることができない。
この場合，多くはメモリ管理関数について，リソース回
収処理などの関数と排他制御(mutex）を行う。こうした
場合，余計にＣＰＵ時間を占有することになる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
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
において，データ領域の固定を行う処理で，システムの
条件変数とシステムの状態変数（フラグ）を導入するこ
とによって，一つのスレッドがＣＰＵ時間を保持し続け
ずに，他のスレッドと並列に処理を行うことが可能とな
り，入出力処理の効率を高めることができるようにな
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】本発明を実施するシステム全体の構成図であ
る。

【図３】条件変数を用いた待ち合わせ処理の説明図であ
る。

【図４】条件変数の使用方法の例を説明する図である。

【符号の説明】

１ データ処理装置 Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２ ユーザプロセススレッド Ｄ デバイスエントリ Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２ カーネルスレッド Ａ０，Ａ１，Ａ２ 非同期スレッド Ｔ 管理表 Ｄ１，Ｄｎ データ領域

───────────────────────────────────────────────────── 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 FB05 FB06 5B045 BB53 GG02 5B098 AA05 AA10 GA04 GA05 GD02 GD12 GD14 GD22

Claims (2)

【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，前記入出力処理要求を処理するスレッドを第１
   のスレッドと第２のスレッドとに分離し，前記第１のス
   レッドは，ユーザ空間のプロセスからデータの入出力処
   理要求があった場合にデータ領域の確保を行った後，カ
   ーネルシステムの条件変数を活用し，導入した状態変数
   に適切な値を与えて前記第２のスレッドを呼び出し，他
   のスレッドがＣＰＵ時間を確保できるように処理を中断
   し，前記第２のスレッドは，一連の非同期のデータ入出
   力のための処理を終えた後，前記条件変数を活用し，前
   記状態変数に適切な値を書き込み，前記第１のスレッド
   は，前記条件変数を活用し，前記状態変数の値が適切な
   値になったことを確認して，中断していた処理を引き続
   き実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，前記入出力処理要求を処理する第１のスレ
   ッドと第２のスレッドのプログラムを含み，前記第１の
   スレッドのプログラムは，ユーザ空間のプロセスからデ
   ータの入出力処理要求があった場合にデータ領域の確保
   を行った後，カーネルシステムの条件変数を活用し，導
   入した状態変数に適切な値を与えて前記第２のスレッド
   を呼び出し，他のスレッドがＣＰＵ時間を確保できるよ
   うに処理を中断し，前記条件変数を活用し，前記状態変
   数が適切な値になったことを確認して，中断していた処
   理を引き続き実行する処理を行い，前記第２のスレッド
   のプログラムは，一連の非同期のデータ入出力のための
   処理を終えた後，前記条件変数を活用し，前記状態変数
   に適切な値を書き込む処理を行うことを特徴とする非同
   期データ入出力処理プログラム記録媒体。