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対象型マルチプロセッシングで、カーネルはどこに置かれるのか?

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leiqunni

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対象型マルチプロセッサをアーキテクチャーに持つシステムで、
マルチスレッド機能をもつカーネルは何処に配置され、どのように動くのか知りたいです。
つまり、昨今のマルチコアCPUで組まれたPCでLinuxが動いてる場合です。

カーネルはそれぞれのコアにインスタンスを持ち、それぞれのコアでスケジューリングしてるのでしょうか。
それとも、何十コアあろうとも、ひとつのコアのひとつのインスタンスが、
他のコアのコンテキストスイッチを管理して、別のコアにもスレッドを割り当ててるのでしょうか?

推測ですが、コアごとにコンテキストスイッチを実行するのが素直だと思うのですが、
20コアのCPUでカーネルのインスタスンスが20個も存在するわけではないと思います。

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回答 4

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こんにちは。

linuxのカーネルのスケジューラを読んだことはないので一般論ですが。

カーネルはそれぞれのコアにインスタンスを持ち

CPUコア内にあるメモリは僅かです。せいぜい数100Bytesくらいでは?(8bits CPUなどでは数Bytesでした。巨大なx86コアとは言え、無茶には無い筈です。)
CPUコア毎にキャッシュを持っている場合もありますが、1-2MBytesですね。
目一杯シュリンクしたlinuxのカーネルなら入るかもしれませんが、キャッシュはロードしたままなんて勿体無い使い方をするためのメモリではないです。

カーネルのインスタンスはメイン・メモリに割り当てられます。
対象型マルチCPUシステムの場合、全てのCPUコアはメイン・メモリに「平等」にアクセスできますので、カーネルのインスタンスがCPUコアに結び付けられるという概念ではありません。

他のコアのコンテキストスイッチを管理して、別のコアにもスレッドを割り当ててるのでしょうか?

コンテキストスイッチとは、CPU内部にあるレジスタを(原則として)全て交換することです。
コンテキストはCPU内部にあるレジスタに記録されていた/いるデータ群のことをさします。一般にスレッド毎に存在します。
スレッド切替時に新たに割り当てられたCPUのレジスタ群をその時実行中のスレッドのコンテキスト記録領域に退避(通常はスタックへpush)し、切り替え先のスレッドのコンテキスト記録領域のコンテキストを回復(通常はスタックからpop)します。これがコンテキストスイッチです。(他にもありますが、ややこしくなるだけなので省略)

シングルコアの場合、上記のコンテキストスイッチ処理を行うコアは、当たり前ですがコンテキストスイッチされるコアと同じコアですね。マルチコアの場合も同様な筈です。(処理内容はスタックへレジスタをpush、スタック切り替え、スタックからレジスタをpopなので切り替え対象のCPUは専有されるため、他のCPUがやるメリットは何もありませんから。)

なかなか理解し辛い概念かも知れませんが、対象型マルチCPUシステムではCPUは切替可能な資源に過ぎません。頻繁に切り替えながらシステム全体が稼働しているのです。

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Linuxのソースを読むのが最良だと思いますが、憶測を述べます。
初期化が終わったカーネルは、普通のプロセスと変わらない(特権レベルはある?)と思うのでどこにでも配置できると思います。どのCPUで実行されるか?ではなく、どこのメモリに配置されるか(ユーザプロセスと分離?)だと思います。CPUを割り当てるのはタスクスケジューラの役目です。
LinuxカーネルにおけるDevice Tree情報のパース処理
参考:4.4BSD オペレーティングシステムの設計と実装

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まずこの質問を読んでいて気になったことは、用語の使われ方に違和感があることです。

たとえば「インスタンス」という用語は、このようなインフラ寄りな話をする場合には、プログラミング界隈で使われるような用法とは異なり、カーネルや各種サービスと言ったような、「プログラム(プロセス)群により実装される大機能の単位」を指します。

このような、同じ用語だが分野により使われ方が違う用語があることが理解の妨げとなっているのではないかと思われます。

さて本題ですが、Linuxカーネルドキュメントプロジェクトにて公開されている文書を読み、さらに詳細な話を知りたいのであればLinuxのソースコードを確認していく、というのがよろしいかと思われます。

ざっと読んでみた限りでは、CPUコアごとに管理するためのデータテーブルを用意するようですが、コアごとに管理プロセスを立ち上げているわけではなさそうです。

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check解決した方法

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皆さま、ご回答ありがとうございました。

本格的な理解はやはりそーすを読みますが、その取っ掛かりのイメージを得られたと思います。
先に他に参考になったURLをあげます。

https://superuser.com/questions/564660/where-does-kernel-reside-on-a-multi-core-system
https://www.ibm.com/developerworks/jp/linux/library/l-scheduler/
http://qiita.com/nhiroki/items/2fa7bb048118145b00cd
https://ja.osdn.net/projects/linux-kernel-docs/wiki/1.5%E3%80%80%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%82%B9%E3%82%B9%E3%82%B1%E3%82%B8%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%A9
https://ja.osdn.net/projects/linux-kernel-docs/wiki/1.6%E3%80%80%E3%83%97%E3%83%AD%E3%82%BB%E3%82%B9%E3%82%B9%E3%82%B1%E3%82%B8%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%A9%E3%81%AE%E5%AE%9F%E8%A3%85

次に僕が得た理解で、自分の質問に答えるならば「メインメモリ上」でした。
コアが多数あってもひとつのアドレス空間を共有してるわけで、
そこにしか、メモリに展開されたカーネルの実態(このことをインスタスンスと言いましたが、
フットプリントの方が適切だったでしょうか)はありません。

ここが僕が勘違いして、どれかひとつのコアがカーネルを読み込み、
他のコアにスレッドを振り分けるスケジューリングをしているイメージだったのですが、
メインメモリ上にあるカーネルコードをそれぞれのコアが適宜読み処理していくのですね。
なので、コンテキストスイッチはコア毎に行われると。
それぞれのコアがラン・キューを持ち、他のコアのスケジューリングのことは知らない(差があればコアをまたいで振るでしょうけど)。

とゆうイメージでした。

これならコア数が増えてもそれぞれのコアが勝手にキューからタスクを拾って処理するから、
考えなくてもリニアに性能が伸びるかな。ひとつのコアがタスクスケジューリングを受け持つ実装もあると思うけど、
ボトルネックになるかな数百コアだと。

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