軽量プロセス

コンピュータのオペレーティングシステムでは、軽量プロセス( LWP ) はマルチタスクを実現する手段です。Unix System VやSolarisで使用されている用語の従来の意味では、LWP は単一のカーネルスレッド上のユーザー空間で実行され、アドレス空間とシステムリソースを同じプロセス内の他の LWP と共有します。スレッドライブラリによって管理される複数のユーザーレベルスレッドを1 つまたは複数の LWP 上に配置できます。これにより、ユーザーレベルでマルチタスクを実行できるようになり、パフォーマンス上の利点が得られます。^[1]

一部のオペレーティングシステムでは、カーネルスレッドとユーザースレッドの間に別の LWP レイヤーが存在しません。つまり、ユーザースレッドはカーネルスレッドの上に直接実装されます。これらのコンテキストでは、「軽量プロセス」という用語は通常カーネルスレッドを指し、「スレッド」という用語はユーザースレッドを指すことがあります。^[2] Linuxでは、ユーザースレッドは特定のプロセスがリソースを共有できるようにすることで実装されており、これらのプロセスが「軽量プロセス」と呼ばれることがあります。^{[3] [4]}同様に、SunOSバージョン 4 以降 ( Solarisより前) では、「軽量プロセス」はユーザースレッドを指していました。^[1]

カーネル スレッドは、完全にカーネルによって処理されます。カーネル スレッドはプロセスに関連付ける必要はなく、カーネルは特定のタスクを実行する必要があるときにいつでもカーネル スレッドを作成できます。カーネル スレッドはユーザー モードでは実行できません。LWP (LWP が別のレイヤーであるシステムの場合) はカーネル スレッドにバインドし、ユーザー レベルのコンテキストを提供します。これには、LWP が属するプロセスの共有リソースへのリンクが含まれます。LWP が一時停止されると、再開するまでユーザー レベルのレジスタを保存する必要があり、基になるカーネル スレッドも独自のカーネル レベルのレジスタを保存する必要があります。

LWP は、ユーザー スレッドよりも作成に時間がかかり、コストもかかります。LWP が作成されるたびに、まずシステム コールを実行して対応するカーネル スレッドを作成し、カーネル モードに切り替えます。これらのモード切り替えには通常、カーネルとユーザー空間の間でパラメータをコピーする手順が含まれます。また、カーネルは、無効な動作をチェックするためにパラメータを検証する追加の手順が必要になる場合があります。LWP間のコンテキスト切り替えとは、プリエンプトされている LWP がレジスタを保存し、次にカーネル スレッドがレジスタを保存できるようにカーネル モードに入る必要があること、またスケジュールされている LWP がカーネル レジスタとユーザー レジスタを個別に復元する必要があることを意味します。^[1]

このため、一部のユーザーレベルスレッドライブラリでは、LWP 上に複数のユーザースレッドを実装できます。ユーザースレッドは、システムコールやカーネルモードへの切り替えなしで、ユーザー空間内で完全に作成、破棄、同期、切り替えることができます。これにより、スレッド作成時間とコンテキストスイッチのパフォーマンスが大幅に向上します。^[1]ただし、カーネルと連携して動作するユーザーレベルスレッドスケジューラを実装するのは困難です。

ユーザースレッドライブラリがユーザースレッドをスケジュールする一方で、カーネルは基礎となる LWP をスケジュールします。カーネルとスレッドライブラリの調整がなければ、カーネルは最適ではないスケジュール決定を行う可能性があります。さらに、複数の LWP に分散されたユーザースレッドが、現在実行されていない別のユーザースレッドが使用しているのと同じリソースを取得しようとすると、デッドロックが発生する可能性があります。^[1]

この問題の解決策の 1 つは、スケジューラのアクティブ化です。これは、カーネルとスレッド ライブラリが連携するための方法です。カーネルは、特定のイベント (スレッドがブロックされようとしているときなど) についてスレッド ライブラリのスケジューラに通知し、スレッド ライブラリは実行するアクションを決定できます。カーネルからの通知呼び出しは、「アップコール」と呼ばれます。

ユーザー レベル ライブラリは、基盤となるメカニズムを制御できず、カーネルからの通知を受信し、ユーザー スレッドをプロセッサではなく利用可能な LWP にスケジュールするだけです。次に、カーネルのスケジューラが LWP をプロセッサにスケジュールする方法を決定します。これは、LWP がスレッド ライブラリによって「仮想プロセッサ」として認識されることを意味します。^[5]

Solarisはバージョン2.2以降、独立したLWP層を実装しています。バージョン9より前のSolarisでは、LWPとユーザースレッド間の多対多のマッピングが可能でした。しかし、これは複雑さを招き、カーネルスケジューラのパフォーマンス向上のために廃止されました。^{[1] [6]}

UNIX System Vとその最近の派生であるIRIX、SCO OpenServer、HP-UX、IBM AIXでは、ユーザースレッドとLWP間の多対多のマッピングが可能です。^{[5] [7]}

NetBSD 5.0 では、新しいスケーラブルな 1:1 スレッド モデルが導入されました。各ユーザー スレッド (pthread) には、軽量プロセス (LWP) と呼ばれるカーネル スレッドがあります。カーネル内では、プロセスとスレッドの両方が LWP として実装され、スケジューラによって同じように処理されます。^[8]

• 並列拡張(Microsoft)
• GNU ポータブル スレッド
• グリーンスレッド(Java)
• 軽量カーネルスレッド

• ファイバー（コンピュータサイエンス）
• タスク（コンピューティング）
• タスクの並列処理
• 未来と約束
• POSIX スレッド
• フォーク（システムコール）#クローン

• 「軽量プロセスプール」Jim Mauro 著
• 「Solaris プロセス」Scott Cromar 著
• スレッド モデル (HP-UX プロセス管理: ホワイト ペーパーより)