2.2.1.2 Виртуальные процессоры
Виртуальным процессором называется процесс сервера баз данных. Виртуальный процессор можно сравнить с операционной системой. Поток по отношению к нему выступает как процесс, подобно тому, как сам виртуальный процессор является процессом с точки зрения операционной системы.
Виртуальные процессоры (ВП) являются специализированными - они подразделяются на классы в соответствии с типом потоков, для выполнения которых они предназначены. Примеры классов ВП:
CPU - Потоки обслуживания клиентов, реализуют оптимизацию и логику выполнения запросов. К этому классу относятся и некоторые системные потоки.
AIO - Операции асинхронного обмена с диском.
ADM - Административные функции, например, системный таймер.
TLI - Контроль сетевого взаимодействия посредством интерфейса TLI (Transport Layer Interface).
В отличие от операционной системы, которая должна обеспечивать выполнение произвольных процессов, классы виртуальных процессоров спроектированы для наиболее оптимального выполнения заданий определенного вида.
Начальное число виртуальных процессоров каждого класса, создаваемых при запуске INFORMIX-OnLine DS, задается в конфигурационном файле. Однако, потребности в каждом виде обработки не всегда предсказуемы. Инструменты администрирования позволяют динамически, не останавливая сервер, запустить дополнительные виртуальные процессоры. Например, если растет очередь потоков к виртуальным CPU-процессорам, то можно увеличить их число. Точно так же, возможно добавление виртуальных процессоров обмена с дисками, сетевых процессоров взаимодействия с клиентами, создание процессора обмена с оптическим диском, если он отсутствовал в начальной конфигурации. Динамически сократить можно только число виртуальных процессоров класса CPU.
На некоторых мультипроцессорных платформах, где OnLine DS поддерживает родство процессоров (processor affinity), допускается привязка виртуальных CPU-процессоров к определенным центральным процессорам компьютера. В результате производительность виртуального CPU-процессора повышается, поскольку операционная система реже производит переключение процессов. Привязка позволяет также изолировать работу с базой данных, выделяя для этой цели определенные процессоры, в то время как остальные будут заняты другими задачами.
2.2.1.3 Планирование потоков
Сервер осведомлен о степени значимости различных потоков и в соответствии с этим назначает для них приоритеты. Например, потоки ввода-вывода получают приоритеты следующим образом:
1. ввод-вывод логической журнализации - наивысший приоритет;
2. ввод-вывод физической журнализации - второй по значимости приоритет;
3. прочие операции ввода-вывода- низший приоритет.
Таким образом, гарантируется, что операции записи в логический журнал, от которых зависит восстановление базы данных в случае сбоя, не окажутся в очереди позади операции вывода во временный рабочий файл.
Сами виртуальные процессоры выполняются как высокоприоритетные процессы операционной системы, которые не прерываются, пока не пусты очереди готовых к выполнению потоков.
Выполнение потока не откладывается по истечении заданного кванта времени, как это происходит с процессами в операционной системе. Поток откладывается в двух случаях:
1. когда он временно не может выполняться, например, если необходимо дождаться завершения обмена с диском, ввода данных от клиента, снятия блокировки.
2. когда в коде потока встречаются обращения к функции yield. Обращения к ней вставляются при компиляции запросов, требующих длительной обработки, чтобы их выполнение не тормозило прохождение других потоков. Для этого выбираются точки, наиболее безболезненные для выполнения потока.
2.2.1.4 Разделение потоков между виртуальными процессорами.
Для каждого класса поддерживаются три очереди потоков, которые разделяются всеми виртуальными процессорами данного класса:
Очередь готовых к выполнению потоков.Очередь спящих потоков. В нее помещается, например, CPU-поток, которому требуется доступ к диску. Предварительно CPU-поток порождает запрос на обмен с диском, для обслуживания которого формируется AIO-поток. Завершив обмен с диском, AIO-поток оповещает об этом виртуальный процессор CPU, который "будит" спящий CPU-поток и перемещает его в очередь готовых потоков.Очередь ждущих потоков. Эта очередь служит для координации доступа потоков к разделяемым ресурсам. В нее помещаются потоки, ожидающие какого-либо события, например, освобождения заблокированного ресурса. Когда поток, заблокировавший этот ресурс, готов освободить его, просматривается очередь ждущих потоков. Если в ней есть поток, ожидающий именно этот ресурс, то он перемещается в очередь готовых.
Если выполняемый поток завершается, засыпает или откладывается, то освободившийся виртуальный процессор выбирает из очереди готовых очередной поток с наивысшим приоритетом. Как правило, OnLine DS стремится выполнять поток на одном и том же виртуальном процессоре, поскольку передача его другому процессору требует пересылки некоторого объема данных. Тем не менее, если поток готов к выполнению, он может быть продолжен другим процессором, с целью исключения простоев и обеспечения общего баланса загрузки.
2.2.1.5 Экономия памяти и других ресурсов
Рациональное использование ресурсов операционной системы достигается за счет того, что потоки разделяют ресурсы (память, коммуникационные порты, файлы) виртуального процессора, на котором они выполняются. Виртуальный процессор сам координирует доступ потоков к своим ресурсам. Процессы же, в отличие от потоков, имеют индивидуальные наборы ресурсов, и, если ресурс требуется нескольким процессам, то доступ к нему регулируется операционной системой.
Переключение виртуального процессора с одного потока на другой, в целом, происходит быстрее, чем переключение операционной системы с одного процесса на другой. Операционная система должна прервать один процесс, выполняемый центральным процессором, сохранить его текущее состояние (контекст) и запустить другой процесс, предварительно поместив в ядро его контекст, что требует физической перезаписи фрагментов памяти. Поскольку потоки разделяют виртуальную память и дескрипторы файлов, то переключение виртуального процессора с потока на поток может сводиться к перезаписи небольшого управляющего блока потока, что соответствует выполнению примерно 20 машинных команд. При этом виртуальный процессор как процесс операционной системы продолжает выполняться без прерывания.
2.2.2 Организация разделяемой памяти
Разделяемая память - это механизм операционной системы, на котором основано разделение данных между виртуальными процессорами и потоками сервера. Разделение данных позволяет:
Снизить общее потребление памяти, поскольку участвующим в разделении процессам, т. е. виртуальным процессорам, нет нужды поддерживать свои копии информации, находящейся в разделяемой памяти.Сократить число обменов с дисками, потому что буферы ввода-вывода сбрасываются на диск не для каждого процесса в отдельности, а образуют один общий для всего сервера баз данных пул. Виртуальный процессор зачастую избегает выполнения или обращения за результатами операций ввода с диска, поскольку нужная таблица уже прочитана другим процессором.Организовать быстрое взаимодействие между процессами. Через разделяемую память, в частности, обмениваются данными потоки, участвующие в параллельной обработке сложного запроса. Разделяемая память используется также для организации взаимодействия между локальным клиентом и сервером.