JPH05225149A - ロック方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ロック獲得の際のプロセッサの浪費を少なく
し、プロセス実行の効率化の向上を図る。 【構成】ロック変数１３ａのロックを獲得できない場合
には、そのプロセスはスピンロック機構１６によってス
ピンロック状態に設定され、そして所定のスピンロック
時間スピンしてもロックを獲得できない場合にスリープ
ロック機構１７によってスリープ状態に設定される。こ
のため、スピン時間指示フィールドに設定された所定の
スピンロック時間を越える長い時間ロックが取れない時
にはスリープとなって、プロセッサを他のプロセスに渡
すことができ、また、ロックが他のプロセスから比較的
早く解放された場合にはスピンロック状態にあるので直
ぐにそのロックを獲得して実行することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は高性能な並列処理を実
現するための共有メモリを有したマルチプロセッサシス
テムの排他制御におけるロック方式に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、共有メモリを有したマルチプロセ
ッサシステムにおいては、排他制御のための種々のロッ
ク方式が提案されている。ロック方式には、大別してプ
ロセスがロックを取れるまで共有変数（ロック変数）に
アクセスをし続けるスピンロック方式と、ロックが取れ
なかった場合スリープし、ロックが解放された時に起こ
されてからロックを取りに行くスリープロック（サスペ
ンドロックと称する場合もある）方式とがある。

【０００３】スピンロック方式では、スピンしている期
間はプロセッサは浪費されることになる。一方、スリー
プロック方式では、プロセスのスリープとそのスリープ
からの復帰（ウェイクアップ）の際にレジスタ退避やレ
ジスタ復帰が必要になるため、プロセッサ（ＣＰＵ）実
行時間が余分にかかりその分だけコストが大きくなる
が、プロセスがスリープしている間はプロセッサは他の
プロセスの実行に使用でき、プロセッサが浪費されるこ
とはない。

【０００４】従来のロック方式では、資源がロックされ
ている時間がわからないため、予めスピンするかスリー
プするかが決められており、長い時間ロックが取れない
時にスピンしたり、ロックがすぐ取れる時にスリープす
るなど、プロセッサを浪費してしまうという問題があっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のロック方式にお
いては、ロックを取得する際に予めスピンするかスリー
プするかを決定しておくが、資源がロックされる時間が
わからないために無駄にスピンしたりスリープしてしま
うという問題があった。

【０００６】この発明はこのような点に鑑みてなされた
ものであり、ロック獲得の際のプロセッサの浪費を少な
くし、効率の良いプロセスの実行の実現することができ
るマルチプロセッサシステアムのロック方式を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】この発明のロ
ック方式は、共有変数を用いてプロセス間の排他制御を
実現するメモリ共有型マルチプロセッサシステムにおい
て、前記各共有変数毎にロック待ちプロセスがスピンす
るスピンロック時間を規定し、ロックを獲得できなかっ
たロック待ちプロセスを前記規定されたスピンロック時
間だけスピンさせ、そのスピンロック時間内にロックを
獲得できないときにそのプロセスをスリープさせること
を特徴とする。

【０００８】このロック方式においては、ロックを獲得
できない場合には、そのプロセスはまずスピンロック状
態に設定され、そして、所定のスピンロック時間スピン
してもロックを獲得できない場合にスリープ状態に設定
される。このため、所定のスピンロック時間を越える長
い時間ロックが取れない時にはスリープとなって、プロ
セッサを他のプロセスに渡すことができ、また、ロック
が他のプロセスから比較的早く解放された場合にはスピ
ンロック状態にあるのですぐにそのロックを獲得して実
行することができる。したがって、不必要に長い時間ス
ピンしたり、短い時間スピンすればロックが獲得できる
のにスリープするといったプロセッサの浪費が避けら
れ、プロセスの効率的な実行が可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。

【００１０】図１にはこの発明の一実施例に係わるマル
チプロセッサシステムのシステム構成が示されている。
このマルチプロセッサシステムは、メモリ共有型のマル
チプロセッサであり、共有変数を用いて排他制御を実現
している。

【００１１】このマルチプロセッサシステムは、複数の
プロセッサ１１ａ，１１ｂ，…と、共有メモリ１２とか
ら構成されている。複数のプロセッサ１１ａ，１１ｂ上
で並列動作される複数のプロセスは、共有メモリ１２上
の共有データを同時に操作しないように、その共有デー
タをロックして排他的に使用する。この排他制御のため
の同期は、共有変数（ロック変数）を用いて実現されて
いる。

【００１２】ロック変数はあるリソースの使用状態を示
すものであり、例えば、ロック変数の値が１の時は、あ
る１つのプロセスが排他的な処理を実行中であること
（ロック状態）を示し、他のプロセスはその処理を実行
することができない。

【００１３】ロック確保時のロック変数の参照、更新
は、例えば、テストアンドセット命令（ｔｅｓｔ ＆
ｓｅｔ）のように参照と変更が不可分に行われるプロセ
ッサ命令で行なわれる。テストアンドセット命令は、基
本的には不可分の単一機会命令として、指定されたロッ
ク変数から値“０”を読み出した後、“１”の値をロッ
ク変数に書き戻すものであり、最初に“０”（ロックが
オフ）を受け取るプロセスだけがロックを確保して処理
を実行でき、それ以外のプロセスはすべて“１”（ロッ
クがオン）を受け取ることにより実行を待たされる。

【００１４】この場合、スピンロック方式においては、
“１”を受け取った各プロセスは、ロック変数が“０”
になるまで繰り返しテストを行い、ロック解除されまで
待つ。この状態は、スピンループと称されている。一
方、スリープロック方式においては、“１”を受け取っ
た各プロセスは、プロセッサを解放するスリープ状態と
なり、ロック解除の合図を待ってウェイクアップされ
る。

【００１５】ロック変数１３ａ、１３ｂ…は、共有メモ
リ１２上の共有データの排他制御のためにそれら共有デ
ータ毎に生成されるものであって、各ロック変数１３
ａ，１３ｂ，…にはスピン時間指示フィールド１４ａ，
１４ｂ，…が割り当てられている。

【００１６】各スピン時間指示フィールド１４ａ，１４
ｂには、対応するロック変数によってロック待ちとなっ
たプロセスに対してスピンすべき時間を指示するための
スピン時間が設定される。このスピン時間の初期値は、
スピンし続けるコストと、スリープし、ウェイクアップ
するコストとが等しくなるような値に設定される。

【００１７】この場合、スリープし、ウェイクアップす
るコストとは、プロセスのスリープおよびウェイクアッ
プのために必要なレジスタ退避および復帰に要するプロ
セッサ実行時間（実行サイクル数）を示す。このため、
スピン時間は、プロセスのスリープおよびウェイクアッ
プのために必要なプロセッサ実行時間と実質的に同じ値
に予め設定される。これにより、スピンしている間にロ
ックが獲得できた場合には、スリープするよりも低コス
トになることが保証される。

【００１８】また、各プロセッサ１１Ａ，１１ｂ，…に
は、ロック変数１３ａ、１３ｂ，…を用いたロック方式
を実現するための機構として、スピン時間読取り・減算
機構１５、スピンロック機構１６、スリープロック機構
１７、スピン時間再設定機構１８が設けられている。

【００１９】次に、図２のフローチャートを参照して、
これらスピン時間読取り・減算機構１５、スピンロック
機構１６、スリープロック機構１７、およびスピン時間
再設定機構１８の機能、およびこれらを利用したロック
動作を説明する。

【００２０】プロセスが資源を確保する際には、まず、
該当するロック変数１３ａおよびそのロック変数に対応
するスピン時間フィールド１４ａが参照され、スピン時
間読取り・減算機構１５によって上記フィールドの値を
記憶した上で（ステップａ１）そのフィールドの値が減
少される（ステップａ２）。

【００２１】減少される値は任意の値で良く、ここでは
ｄ１とする。これは次にロックを取りに来るプロセスは
ロックを取りにくくなっており、スピンする時間を短く
することによってスピンによるプロセッサの浪費を減少
させるためである。

【００２２】次に、ロック変数の値が“０”か“１”か
によってロックを確保できるか否かを判断し（ステップ
ａ３）、ロック変数の値が“１”の場合には、そのプロ
セスはロックを確保できない。このロックを確保できな
かったプロセスはスピンロック機構１６によってスピン
され、ステップａ１で読み取ったスピン時間だけスピン
してその間、繰り返しロックを獲得しに行く（ステップ
ａ３，ａ４）。

【００２３】スピン時間内にロックが獲得できなかった
場合には、さらに上記スピン時間指定フィールドの値が
スリープロック機構１７によって減少され（ステップａ
５）、そして、ロックが獲得できなかったプロセスがス
リープロック機構１７によってスリープされる（ステッ
プａ６）。この時に減少させる値も任意の値で良く、こ
こではｄ2 とする。

【００２４】この場合に、上記フィールドの値を再び減
らすのは、スピン時間中にロックが取れないほどロック
が獲得しにくくなっているため、さらにスピンする時間
を短くすることによってスピンによる他のプロセッサの
浪費を減少させるためである。

【００２５】スリープされたプロセスはロックが解放さ
れたときに通知等によってウェイクアップされ（ステッ
プａ７）、ロックを確保しに行く。ここでロックを確保
できた場合には、そのプロセスによって所定の作業が実
行される（ステップａ９）。この後、スピン時間再設定
機構１８によって、ロックを獲得するまでに減じた値分
だけ上記フィールドの値が増加される（ステップａ１
０）。

【００２６】この例では、スピンしている間にロックが
獲得できた場合には、ｄ1 を、スピンしている間にロッ
クが獲得できずスリープした後に獲得した場合には、ｄ
1 ＋ｄ2 を、上記フィールドの値に加算して初期値に戻
す。

【００２７】このように上記フィールドの値を増加させ
るのは、ロックが解放されたことによりロックが解放さ
れる前に比べ獲得しやすくなるため、スピンする時間を
長くしてスピンによりロックを獲得しやすくするためで
ある。その後、プロセスは、ロックを解放する（ステッ
プａ１１）。次いで、図３のフローチャートを参照し
て、図１のシステムにおける別のロック動作を説明す
る。

【００２８】プロセスが資源を確保する際には、まず、
該当するロック変数１３ａおよびそのロック変数に対応
するスピン時間フィールド１４ａが参照され、スピン時
間読取り・減算機構１５によって上記フィールドの値を
記憶した上で（ステップｂ１）そのフィールドの値が減
少される（ステップｂ２）。

【００２９】減少される値は任意の値で良く、ここでは
ｄ１とする。これは次にロックを取りに来るプロセスは
ロックを取りにくくなっており、スピンする時間を短く
することによってスピンによるプロセッサの浪費を減少
させるためである。

【００３０】また、同時に時刻を記録するフィールドに
現在の時刻を、スピン時間読取り・減算機構１５によっ
て記録しておく（ステップｂ３）。次に、ロック変数の
値が“０”か“１”かによってロックを確保できるか否
かを判断し（ステップｂ４）、ロック変数の値が“１”
の場合には、そのプロセスはロックを確保できず、スピ
ンロック機構１６によってスピンされ、ステップｂ１で
読み取ったスピン時間だけスピンしてその間、繰り返し
ロックを獲得しに行く（ステップｂ４，ｂ５）。

【００３１】スピン時間内にロックが獲得できなかった
場合には、さらに上記スピン時間指定フィールドの値が
スリープロック機構１７によって減少され（ステップｂ
６）、そして、ロックが獲得できなかったプロセスがス
リープロック機構１７によってスリープされる（ステッ
プｂ７）。この時に減少させる値も任意の値で良く、こ
こではｄ2 とする。

【００３２】この場合に、上記フィールドの値を再び減
らすのは、スピン時間中ではロックが取れないほどロッ
クが獲得しにくくなっているため、さらにスピンする時
間を短くすることによってスピンによる他のプロセッサ
の浪費を減少させるためである。

【００３３】スリープされたプロセスはロックが解放さ
れたときに通知等によってウェイクアップされ（ステッ
プｂ８）、ロックを確保しに行く。ここでロックを確保
できた場合には（ステップｂ９）、スピン時間再設定機
構１８によって、ロックをとれた時刻とスピンを開始し
た時刻との差により、ロック獲得に要した時間が求めら
れる（ステップｂ１０）。また、そのロックを獲得した
プロセスによって所定の作業が実行される（ステップｂ
１１）。

【００３４】この後、スピン時間再設定機構１８によっ
て、ロックを獲得するまでに減じた値（ｄ１，またはｄ
１＋ｄ２）と、ロック獲得に要した時間と、ステップｂ
１で記憶したもとのスピン時間とから、新たなスピン時
間が求められ、それがスピン時間指示フィールドに再設
定される（ステップｂ１２）。そして、その後、ロック
が解放される（ステップｂ１３）。この再設定される新
たなスピン時間ｘ´は、例えば、次のように求められ
る。

【００３５】ｘ′を新しいスピン時間、ｘを読み取った
スピン時間、ｘ0 をスピン時間の初期値、ｙをロックを
獲得するまでにかかった時間、ｄをロックを獲得するま
でに減算した値、ｎを任意の正数とすると、 ｘ´＝｛（ｎ＋１）／ｎ｝ｘ−（ｙ／ｎ）＋ｄ …（１） で与えられる。しかし、この（１）式で求めたｘ´は、
求めたｘ´が０＜ｘ´＜ｘ0 の範囲にある場合のみ有効
とし、（１）式で求めたｘ´がｘ´≧ｘ0 の場合には、 ｘ´＝ｘ0 …（２） とし、また、（１）式で求めたｘ´がｘ´≦０の場合に
は、 ｘ´＝０ …（３） とすることが好ましい。

【００３６】これにより、スピンする時間は上記のｎの
大小によって振れ幅が変化するが、徐々にその資源を獲
得するまでの時間の平均値に収束していく。これにより
資源を獲得する際には、実際にロック獲得までに要した
平均的な時間分だけスピンするようになり、プロセッサ
の浪費が減少することになる。

【００３７】以上のように、この実施例のロック方式に
おいては、ロックを獲得できない場合には、そのプロセ
スはまずスピンロック状態に設定され、そして、所定の
スピンロック時間スピンしてもロックを獲得できない場
合にスリープ状態に設定される。このため、所定のスピ
ンロック時間を越える長い時間ロックが取れない時には
スリープとなって、プロセッサを他のプロセスに渡すこ
とができ、また、ロックが他のプロセスから比較的早く
解放された場合にはスピンロック状態にあるのですぐに
そのロックを獲得して実行することができる。

【００３８】したがって、不必要に長い時間スピンした
り、短い時間スピンすればロックが獲得できるのにスリ
ープするといったプロセッサの浪費が避けられ、プロセ
スの効率的な実行が可能となる。

【００３９】また、スピンする時間を静的、あるいは動
的に変更することにより、ロックされている時間の変動
に柔軟に対処でき、効率の良いプロセスの実行が可能と
なるなど多大なる効果が得られる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
ロック獲得の際のプロセッサの浪費を少なくでき、効率
の良いプロセスの実行の実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係わるシステム構成を示
すブロック図。

【図２】同実施例のロック動作の一例を説明するフロー
チャート。

【図３】同実施例のロック動作の他の例を説明するフロ
ーチャート。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ…プロセッサ、１２…共有メモリ、１３
ａ，１３ｂ…ロック変数、１４ａ，１４ｂ…スピン時間
指示フィールド、１５…スピン時間読取り・減算機構、
１６…スピンロック機構、１７…スリープロック機構、
１８…スピン時間再設定機構。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共有変数を用いてプロセス間の排他制御
   を実現するメモリ共有型マルチプロセッサシステムにお
   いて、 前記各共有変数毎にロック待ちプロセスがスピンするス
   ピンロック時間を規定し、 ロックを獲得できなかったロック待ちプロセスを前記規
   定されたスピンロック時間だけスピンさせ、そのスピン
   ロック時間内にロックを獲得できないときにそのプロセ
   スをスリープさせることを特徴とするマルチプロセッサ
   システムのロック方式。
2. 【請求項２】 前記スピンロック時間は、プロセスのス
   リープおよびそのスリープ状態からの復帰のために要す
   るプロセッサの実行時間と実質的に等しい値に初期設定
   されていることを特徴とする請求項１記載のマルチプロ
   セッサシステムのロック方式。
3. 【請求項３】 共有変数を用いてプロセス間の排他制御
   を実現するメモリ共有型マルチプロセッサシステムにお
   いて、 前記各共有変数毎にロック待ちプロセスがスピンするス
   ピンロック時間を割り当てる手段と、 ロックを獲得できなかったプロセスを前記スピンロック
   時間だけスピンさせる手段と、 ロック解除待ちプロセスを有する共有変数に対応した前
   記スピンロック時間の値を減少する手段と、 前記スピンロック時間内にロックを獲得できないときに
   そのプロセスをスリープさせる手段と、 ロック獲得後そのロックを解放する際に前記スピン時間
   を再設定する手段とを具備したことを特徴とするマルチ
   プロセッサシステムのロック方式。