JPH0944366A - マルチスレッド・スケジューリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マルチスレッドで動作するプロセス処理にお
いて、マルチスレッドの適切なスケジューリングを行
う。 【構成】 任意のタイミングで生成された各タスクに
は、それぞれスレッドが割り当てられる。各スレッドは
待機タスク維持部３において実行待ち状態となる。推論
部５は次に実行すべきスレッドをファジイ推論によって
決定する。プライオリティやスケジューリング方式はそ
の度合を表す値の範囲で表現し、最適な範囲でファジイ
推論し、スレッドが生成されてから実行されるまでの待
機時間から推論された結果に重みを付けてスレッド実行
の優先度を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のタスクをスレッ
ドに割り当てて並列処理を行うマルチスレッド処理にお
いて、各スレッドの実行順であるスケジューリングと共
有資源保護のための同期を制御するためのマルチスレッ
ド・スケジューリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】計算機上で生成されるプロセスが複数の
タスクをスレッドに割り当てて並列処理を行う場合があ
る。このような処理をマルチスレッド処理と呼んでお
り、高速かつ複雑な演算処理に利用される。このような
マルチスレッド処理において、各スレッドはプロセスに
よってマッピングされ、一定の資源を共有しながら処理
を実行する。従って、これらのスレッドの実行順を調整
するスケジューリングはプロセスの結果を正しく得るた
めに重要となる。従来、このようなスケジューリングの
ために次のような技術が紹介されている（ＯＳＦ ＤＣ
Ｅ技術解説；瓶家喜代志著；株式会社ソフト・リサーチ
・センター 第１７９項〜２０３項）。ここでは、各ス
レッドにスケジューリングのプライオリティと、ＦＩＦ
Ｏ、ラウンドロビン、スループット、バックグラウン
ド、アイドルの５種類のスケジューリング方式を組み合
わせて、スレッド実行の優先順位を決定し、共有資源保
護のため、ミューテックス、コンディション変数の２種
類の２値変数を場合によっては複数個ずつ用意して、実
行を制御する方法がとられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来のマルチスレッド・スケジューリングの方法に
は、次のような解決すべき課題があった。上記の方法で
は、タスク生成時に他のタスクの種類とプライオリティ
を考慮しながら最も適切なプライオリティを設定してお
く必要がある。しかも、不適切なプライオリティを与え
るとタスクの実行結果が有効とならないという問題もあ
る。また、タスク自体が実行できない場合も起こり得る
という問題もあった。

【０００４】ところが、適切なプライオリティを知るこ
とはタスク生成時には容易でなく、またプライオリティ
の値を多値に設定しても実際に使用されるプライオリテ
ィの値は数少なく、プライオリティ値の範囲が有効に使
われないという問題があった。また、共有資源保護のた
めのミューテックス、コンディション変数の使い方によ
ってはタスクがデッドロック状態となり、ある共有資源
に対応するタスクが全く処理されない状態に陥ってしま
うことがある。これを解決する方法も、またタスク生成
時に配慮する必要があり、マルチタスク処理の設計は容
易でないという問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の点を解決
するため次の構成を採用する。任意のプロセスにより生
成された複数のタスクに対してそれぞれスレッドが割り
当てられ、このスレッドが実行に移されるまでタスクを
待機させる待機タスク維持部と、各タスクが作用を及ぼ
し合う共有資源と、その共有資源の同期制御変数を監視
する共有資源監視部と、待機中の各タスクの実行の優先
順位に関する属性値と待機時間と同期制御変数との関係
をルールベースに含めて、各タスクの実行順序をファジ
イ推論する推論部と、推論部の推論により得られたタス
クの実行順に従って、待機タスク維持部中の各スレッド
に実行命令を発するタスク実行制御部と、このタスク実
行制御部より発せられた実行命令に従ってタスクの処理
を実行し、共有資源に作用を及ぼすタスク処理部を備え
る。

【０００６】

【作用】任意のタイミングで生成された各タスクには、
それぞれスレッドが割り当てられる。待機タスク維持部
において実行待ち状態となる。推論部は次に実行すべき
スレッドをファジイ推論によって決定する。プライオリ
ティやスケジューリング方式はその度合を表す値の範囲
で表現し、タスクの種類に最適な範囲でファジイ推論
し、スレッドが生成されてから実行されるまでの待機時
間から推論された結果に重みを付けてスレッド実行の優
先度を決定する。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を図の実施例を用いて詳細に説
明する。図１は、この発明の実施例を示すマルチスレッ
ド・スケジューリング装置のブロック図である。図の装
置は、タスク生成部１−１〜１−３…と、待機タスク維
持部３と、共有資源監視部４と、推論部５と、タスク実
行制御部６と、共有資源７及びタスク処理部８から構成
される。マルチスレッドで動作することを前提に設計さ
れたプロセスを起動することでタスクが生成される。タ
スク生成部１−１〜１−３は、例えばそのプロセスに該
当する。生成された各タスクにはスレッドが割り当てら
れる。待機タスク維持部３は、スレッドが実行に移され
るまでタスクを待機させる部分である。

【０００８】共有資源監視部４は、各タスクが共有し作
用を及ぼし合う共有資源７とその同期制御変数の状態を
監視するとともに、その結果を推論部５に伝える部分で
ある。推論部５は、待機タスク維持部３に維持されてい
るレコードのパラメータと共有資源監視部４から得たパ
ラメータを用いてスレッドの実行順をファジイ推論する
部分である。タスク実行制御部６は、共有資源監視部４
と、推論部５の処理によるファジイ推論の結果から引き
出されたスレッドの実行順に従って待機タスク維持部３
のスレッドのタスクに実行命令を発行する部分である。
タスク処理部８はタスク実行制御部より発行された実行
命令に従ってスレッドの処理を実行し、共有資源７に作
用を及ぼす部分である。

【０００９】図２には、待機タスク維持部３の具体的な
構成説明図を示す。待機タスク維持部３は、各スレッド
に対応するレコードを図のように配列した構成をとる。
各レコードはスレッドの属性であるプライオリティ１１
と、スケジューリング方式１２、その他の属性１３及び
処理１４から構成される。またこの他に、このレコード
には、タスク、スレッドが待機タスク維持部３に登録さ
れてからの待機時間１５や実行順位１６が付加されてい
る。なお、このようなレコード３−１〜３−３は、タス
クが生成される度に追加されていく。

【００１０】図３には、タスク生成部の構成説明図を示
す。図に示すように、あるプロセス２０をタスク生成部
とすればこのプロセス２０はタスク１０−４，１０−５
を任意の数生成する他、タスク１０−５が一定の処理を
実行中新たなタスク１０−６を生成する。即ち、１個の
プロセスで１つ以上のタスクが生成されることがあり、
また、あるタスクの中で更にタスクが生成される場合も
ある。

【００１１】図４には、推論部５の構成説明図を示す。
推論部５は、一定のルールに従って一定の結果を導き出
す演算処理装置から構成される。ここにはルール・ベー
ス５−１と、推論エンジン５−２が設けられている。ル
ール・ベース５−１は、図２に示した待機タスク維持部
３の各レコード３−１〜３−３のパラメータと、共有資
源監視部４から得た同期制御変数等のパラメータを用い
てスレッドの実行順位の推論を行うためのルールを規定
した部分で、推論エンジン５−２はこのルールに従って
実際の推論を行う部分である。

【００１２】図１に示した共有資源監視部４は、共有資
源７を保護するためのミューテックス及びコンディショ
ン変数を生成し、ミューテックスの値、コンディション
変数の値を監視する。タスク実行制御部６は推論部５で
スレッドの実行順位が決定されると、これに従って最も
順位の高いスレッドのタスク処理に対し実行命令を出
す。また、このスレッドが実行された場合には、このス
レッドに関するレコードを待機タスク維持部３から削除
する。タスク処理部８はタスク実行制御部６で実行命令
が出されたスレッドのタスク処理を実際に実行し、共有
資源７に対して作用を及ぼす演算処理部分から構成され
る。

【００１３】図５は、本発明の装置の動作フローチャー
トである。このフローチャートを用いて、本発明の装置
の動作を順に説明する。マルチスレッド処理が開始され
ると、並列処理されるべきタスクが順に生成される（ス
テップＳ１）。これらのタスクは先に説明したように、
独自に生成されあるいはネスティングされて任意のタイ
ミングで生成される。同時に生成されるタスクも存在す
る。１つのタスク生成部から１つのタスクのみが生成さ
れる場合もある。

【００１４】生成されたタスクは各々図２を用いて説明
したスレッドレコードを生成する（ステップＳ２）。こ
のレコードは、待機タスク維持部３に順に追加されてい
く。このレコード中のプライオリティ、スケジューリン
グ方式、その他の属性、あるいはタスクは、タスク生成
時に設定される。図６には、レコード中のプライオリテ
ィの範囲と度合、待機時間の範囲と度合、実行順位の範
囲と度合に関する説明図を図示した。

【００１５】図６（ａ）に示すように、プライオリティ
は、非常に高い（positive large;ＰＬ）、高い（posit
ive medium;ＰＭ）、中程度（approximately zero; Ｚ
Ｒ）、低い（negative medium;ＮＭ）、非常に低い（ne
gative large; ＮＬ）のメンバシップ関数をとるものと
する。スケジューリング方式は、従来方法と同様に先入
れ先出し（ＦＩＦＯ）、ラウンドロビン（ＲＲ）、スル
ープット（ＴＲＵ）、バックグラウンド（ＢＧ）、アイ
ドル（ＩＤＬＥ）の５種類とする。これらも上記プライ
オリティと同様の（ａ）に示すようなメンバシップ関数
を持ち、優先順位は非常に高い（positive large; Ｐ
Ｌ）、優先順位は高い（positive medium;ＰＭ）、優先
順位は中程度（approximately zero; ＺＲ）、優先順位
は低い（negative medium;ＮＭ）、優先順位は非常に低
い（negative large; ＮＬ）に対応させる。なお、スケ
ジューリング方式に関する説明図の図示は省略した。図
中、度合というのは、各優先順位のスレッドが発生する
確率をいい、プライオリティは、各三角形や台形の底辺
の範囲に設定される。

【００１６】一方、待機時間は、スレッドが生成されて
からの時間のパラメータであり、レコード生成時には０
で初期化され、時間の経過とともに増加する。スレッド
が処理を開始したがコンディション変数により待ち状態
に入った、あるいは実行順位の高いスレッドが現れた等
の理由により、処理が中断した場合、０で初期化され
る。待機時間は図６（ｂ）に示すように、非常に長い
（positive large; ＰＬ）、長い（positive medium;Ｐ
Ｍ）、やや長い（positive small; ＰＳ）、中程度（ap
proximately zero; ＺＲ）、やや短い（negative smal
l; ＮＳ）、短い（negative medium;ＮＭ）、非常に短
い（negative large; ＮＬ）のメンバシップ関数をと
る。

【００１７】実行順位は、スレッド生成時に、待機タス
ク維持部３に登録されているスレッドの中の最下位の順
位で初期化する。実行順位は図６（ｃ）に示すように、
非常に高い（positive large; ＰＬ）、高い（positive
medium;ＰＭ）、中程度（approximately zero; Ｚ
Ｒ）、低い（negative medium;ＮＭ）、非常に低い（ne
gative large; ＮＬ）のメンバシップ関数をとるものと
する。ファジイ推論を行うと、その結果これらの順位が
変化することがある。

【００１８】次のステップＳ３では、タスクが生成され
たとき、そのタスクが作用を及ぼそうとしている共有資
源を保護するためのミューテックス変数の存在を調べ
る。存在しない場合、共有変数に固有のミューテック
ス、コンディション変数を、共有資源監視部４内で生成
する（ステップＳ４）。従来の方法では、ミューテック
ス変数はロックされているかいないかの２値変数であっ
たが、本発明の装置ではファジイ推論を行うことで多値
化することが可能である。この場合、ミューテックス変
数はあるスレッドが共有資源をロックできる優位度を示
すものとなる。コンディション変数は共有資源がある状
態になるのを待つための機構であり、コンディション変
数で待ち状態になったとき、このスレッドは一時的にミ
ューテックスをアンロックする必要があるので、ミュー
テックス変数によるロックの優位性と連動して変化する
ことになる。

【００１９】ステップＳ５では、優先順位設定の対象と
なる全てのタスク生成処理が終了しているかを調べ、未
終了の場合はステップＳ１のスレッド生成処理から再び
処理を再開する。タスク生成処理が終了している場合、
ステップＳ１からＳ５の処理は一時停止するが、タスク
の生成は非同期的に発生するので、タスク生成要求があ
る度にステップＳ１から処理が開始される。

【００２０】次に、ステップＳ８のファジイ推論処理
は、ステップＳ２で生成されたレコードのうち、プライ
オリティ、スケジューリング方式、待機時間から、実行
順位とミューテックス獲得の優位度を推論する。図１に
示す推論部５は、図４に示したようにルール・ベース５
−１と推論エンジン５−２で構成される。ルール・ベー
ス５−１に格納されているルールは、例えば次の内容と
なる。 ルール１： if プライオリティ is ＰＬ andスケジュー
リング方式 is ＦＩＦＯthen 実行順位 is ＰＬ and
ミューテックス is ＰＬ ルール２： if プライオリティ is ＰＭ andスケジュー
リング方式 is ＦＩＦＯthen 実行順位 is ＰＭ andミ
ューテックス is ＰＬ ルール３： if プライオリティ is ＺＲ andスケジュー
リング方式 is ＦＩＦＯthen 実行順位 is ＺＲ andミ
ューテックス is ＰＬ ・ ・ ・ ルール２５： if プライオリティ is ＮＬ andスケジュ
ーリング方式 is ＩＤＬＥ then 実行順位 is ＮＬ and
ミューテックス is ＮＬ ルール２６： if 待機時間 is ＰＬ then 実行順位 is
ＰＬ andミューテックスis ＰＬ ルール２７： if 待機時間 is ＰＭ then 実行順位 is
ＰＭ andミューテックスis ＰＭ ルール２８： if 待機時間 is ＰＳ then 実行順位 is
ＰＳ andミューテックスis ＰＳ ・ ・ ・ ルール３２： if 待機時間 is ＮＬ then 実行順位 is
ＰＬ andミューテックスis ＮＬ 推論エンジン５−２での推論は、ルール１から２５まで
から得られる結果とルール２６から３２までから得られ
る結果に、０から１までの範囲のあるウエイトをかけ
て、２種類の推論結果に重み付けをし、重心法によって
実行順位を決定する。

【００２１】図７と図８に、推論エンジンの具体的な推
論方法説明図を示す。ここには、プライオリティがＰ
Ｍ、スケジューリングがＰＭ、待機時間がＺＲであった
場合の推論の詳細を示した。なお、以下はファジイ推論
のための一般的な手法を本発明に適用した例を示す。ル
ール１は、プライオリティＰＬとこのときに実際に与え
られたプライオリティ（fact）ＰＭのand をとり、その
結果のα１を次のスケジューリングにマッピングする。
ルール１のスケジューリング方式ＰＬとfactＰＭのand
をとり、プライオリティから得られたα１とのmin をと
る。この値をα２とする。α２を実行順位のＰＬにマッ
ピングし、面積ｗ１を求める。同様にルール２から面積
ｗ２、ルール３から面積ｗ３というようにルール２５ま
での面積を求め、総和Ｓ１を算出する。この面積の総和
Ｓ１は、プライオリティとスケジューリング方式とをパ
ラメータとしたときの、このスレッドが優先度ＰＬで実
行される可能性に比例する。

【００２２】次に、ルール２６からルール３２より同様
に待機時間factとのand をとり、面積の総和Ｓ２を算出
する。この面積の総和Ｓ２は、待機時間をパラメータと
したときの、このスレッドが優先度ＺＲとＰＳの重なり
部分で実行される可能性に比例する。この実施例ではＳ
１とＳ２に０から１の範囲で重みをつけ重み付き総和を
算出し、重心法により実行順位を推論する。重要度の低
いパラメータに結果が左右され過ぎるのを防止するため
である。実行順位と同様にしてミューテックス獲得の優
先度をルール１からルール３２より推論し、共有資源監
視部４に保存する。

【００２３】図５のステップＳ９の実行順位変更処理で
は、ステップＳ８のファジイ推論により得られた実行順
位を図２のスレッドレコード内の実行順位１６と置き換
える。ステップＳ１０のスレッド実行処理では、図２の
レコード中の実行順位の最も高いスレッドが実行に移さ
れる。実行が開始されたスレッドは必要なミューテック
ス変数の獲得優先度を同じミューテックスを獲得しよう
としている他のスレッドと比較し、ミューテックスの獲
得が可能であればこのミューテックスを獲得し、共有資
源に対し作用を及ぼす。ミューテックス変数獲得優先度
は実行順位よりも重視される。実行されたスレッドの処
理はミューテックスの状態により処理が終了しないこと
も有り得る。このため、ステップＳ１１で処理が完全に
終了しているかを調べる。処理が終了した場合、このス
レッドのミューテックスに関するパラメータは図２のス
レッドレコードとともにステップＳ１２において削除さ
れるが、処理が終了しなかった場合、スレッドレコード
の待機時間を０に初期化してファジイ推論の対象スレッ
ドとして残される。ステップＳ１３においては図２のス
レッドレコードが０であるかを調べ、処理の終了を判断
する。

【００２４】なお、ステップＳ６では処理開始時からの
時間経過を常時計測し、スレッドレコードの待機時間を
更新するとともに、タスクが新たに生成されなくても一
定時間経過した場合はステップＳ８のファジイ推論を行
うため、ステップＳ７では一定時間が経過したことを判
断し、経過していた場合は、ファジイ推論を開始させ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明した本発明のマルチスレッド・
スケジューリング装置は、上記の構成により次のような
効果が得られる。 (1) タスクを割り当てるスレッドに従来のスレッドに関
する情報（属性）の他に待機時間、実行順位を設け、プ
ライオリティ、スケジューリング方式、待機時間で実行
順位をファジイ推論するので、最適なパラメータをタス
ク生成時に付与する必要がなくなり、タスクの設計を容
易にすることが可能となった。 (2) プライオリティ、スケジューリング方式では、従来
の１つの値から度合を表現する多値に範囲を拡張したの
で、これらの数値の与え方がスケジューリングを大きく
左右することがなくなり、タスクの種類を厳密に分類し
てプライオリティ、スケジューリング方式を決める必要
がなくなった。 (3) 待機時間を設け、プライオリティ、スケジューリン
グ方式と同様に度合を表現する多値に拡張すれば、プラ
イオリティ、スケジューリング方式だけで、実行に移さ
れにくいスレッドについても、実行順位が上がるので実
行の機会を増やすことが可能になった。

【００２６】(4) 推論結果には重みを付けて最終結論を
出すので、待機時間を設けたことで本来意図するプライ
オリティ、スケジューリング方式に反しても待機時間の
長いタスクが処理されることを抑制できる。 (5) ミューテックス獲得を２値から多値に拡張したの
で、ミューテックス獲得の優先度が下がってくると、ス
レッドの順位が下がらなくても処理を中断し、他のミュ
ーテックスの獲得優先度が大きいスレッドへ処理を移行
させることが可能であり、デッドロック状態を回避する
ことが容易になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマルチスレッド・スケジューリング装
置実施例を示すブロック図である。

【図２】待機タスク維持部の構成説明図である。

【図３】タスク生成部の構成説明図である。

【図４】推論部の構成説明図である。

【図５】本発明の装置の動作フローチャートである。

【図６】（ａ）はプライオリティの範囲と度合の説明
図、（ｂ）は待機時間の範囲と度合の説明図、（ｃ）は
実行順位の範囲と度合の説明図である。

【図７】推論エンジンでの推論方法説明図（その１）で
ある。

【図８】推論エンジンでの推論方法説明図（その２）で
ある。

【符号の説明】

１−１〜１−３ タスク生成部 ３ 待機タスク維持部 ４ 共有資源監視部 ５ 推論部 ６ タスク実行制御部 ７ 共有資源 ８ タスク処理部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意のプロセスにより生成された複数の
   タスクに対してそれぞれスレッドが割り当てられ、この
   スレッドが実行に移されるまでタスクを待機させる待機
   タスク維持部と、 各タスクが作用を及ぼし合う共有資源と、その共有資源
   の同期制御変数を監視する共有資源監視部と、 待機中の各タスクの実行の優先順位に関する属性値と待
   機時間と同期制御変数との関係をルールベースに含め
   て、各タスクの実行順序をファジイ推論する推論部と、 推論部の推論により得られたタスクの実行順に従って、
   待機タスク維持部中の各スレッドに実行命令を発するタ
   スク実行制御部と、 このタスク実行制御部より発せられた実行命令に従って
   タスクの処理を実行し、共有資源に作用を及ぼすタスク
   処理部を備えたことを特徴とするマルチスレッド・スケ
   ジューリング装置。