Симметричная мультипроцессорная обработка

Многозадачность представляет собой технологию операционной системы для совместного использования одного процессора несколькими потоками выполнения. Но когда у компьютера более одного процессора, он может выполнять несколько потоков одновременно.

Таким образом, если многозадачная операционная система только кажется исполняющей одновременно несколько потоков, мультипроцессорная операционная система делает это на самом деле, выполняя по одному потоку на каждом своем процессоре.

Как известно, одним из основных конструкторских замыслов для Windows была ее обязательная работа на мультипроцессорных компьютерных системах. Windows является симметричной мультипроцессорной (symmetric multiprocessing, SMP) операционной системой. В ней нет главного процессора — как операционная система, так и пользовательские потоки могут быть спланированы для работы на любом процессоре.

Кроме этого, все процессоры совместно используют одно и то же адресное пространство. Эта модель отличается от асимметричной мультипроцессорной обработки (asymmetric multiprocessing, ASMP), при которой каждой операционной системе обычно выделяется один процессор для выполнения кода ядра операционной системы, а на других процессорах выполняется только пользовательский код.

Windows также поддерживает три современных типа мультипроцессорных систем: многоядерные, гиперпотоковость (Hyper-Threading) и с технологией доступа к неоднородной памяти — NUMA (non-uniformmemoryarchitecture).

Гиперпотоковость (Hyper-Threading) является технологией, представленной компанией Intel и предоставляющей два логических процессора для каждого физического ядра. У каждого логического процессора есть свое собственное состояние центрального процессора, но механизм исполнения команд и процессорная кэш-память у них общие. Это позволяет одному логическому центральному процессору успешно работать, в то время как другой логический центральный процессор остановлен (например, после промаха при обращении к кэш-памяти или после неправильно спрогнозированного условного перехода).

Алгоритмы диспетчеризации усовершенствованы с учетом оптимального использования машин, допускающих гиперпотоковость, например, путем диспетчеризации потоков на простаивающий физический процессор, а не на простаивающий логический процессор на физическом процессоре, где другой логический процессор занят работой.

На NUMA-системах процессоры сгруппированы в небольшие блоки, называемые узлами. У каждого узла есть свои собственные процессоры и память, и он подключен к более крупной системе через кэш-когерентную объединяющую шину. Тем не менее Windows на NUMA-системе работает как SMP-система, в которой все процессоры имеют доступ ко всей памяти — при том, что обращение к локальной памяти узла осуществляется быстрее, чем к памяти, подключенной к другим узлам. Система пытается повысить производительность путем диспетчеризации потоков на процессах того же узла, на котором находится используемая ими память. Она пытается удовлетворить запросы на выделение памяти в рамках узла, но при необходимости выделит память, подключенную и к другим узлам.

И конечно же, Windows также изначально поддерживает многоядерные системы, поскольку у этих систем есть настоящие физические ядра (они находятся на одном кристалле), исходный SMP-код в Windows считает их отдельными процессорами, за исключением некоторых задач учета использования ресурсов и идентификации (например, лицензирования), делающих различия между ядрами на одном и том же процессоре и ядрами на разных сокетах.

Изначально в Windows не предусматривался какой-либо лимит на количество процессоров, если не считать политик лицензирования, устанавливающих различия между разными версиями Windows. Но в целях удобства и эффективности Windows занимается отслеживанием процессоров (их общего числа, простоев, занятости и других таких же подробностей) в битовой маске (маской родственности, affinity mask), в которой количество бит соответствует исходной размерности данных машины (32- или 64-разрядной), что позволяет процессору манипулировать битами непосредственно в регистре.

Из-за этого количество процессоров в системе Windows изначально ограничивалось исходной размерностью слова, поскольку маска родственности не могла быть увеличена произвольным образом. Чтобы обеспечить совместимость, а также поддержку более крупных процессорных систем, в Windows реализована конструкция более высокого порядка, называемая группой процессоров.

Такая группа является набором процессоров, где все процессоры группы могут быть определены единой битовой маской родственности, и ядро операционной системы, как и приложения, могут выбрать группу, к которой они обращаются при обновлении маски родственности. Совместимые с данной конструкцией приложения могут запросить количество поддерживаемых групп (ограничиваемое в настоящее время числом 4) а затем подсчитать битовую маску для каждой группы. При этом устаревшие приложения продолжают работать, видя только текущую группу.

Как уже упоминалось, фактическое число поддерживаемых лицензированных процессоров зависит от используемой версии Windows. Это количество хранится в файле лицензионной политики системы (\Windows\ServiceProfiles\NetworkService\AppData\Roaming\Microsoft\SoftwareProtectionPlatform\tokens.dat) в виде значения политики под названием «Kernel-RegisteredProcessors». Следует иметь в виду, что фальсификация данных является нарушением лицензии на программное обеспечение, и изменение лицензионной политики с целью использования большего количества процессоров влечет за собой более серьезные последствия, чем простое изменение этого значения.