Solaris 上の Java マルチスレッドの利点

Solaris のマルチスレッドカーネルは、Solaris オペレーティングシステムの特に重要な構成要素の 1 つです。このマルチスレッドカーネルによって Solaris オペレーティングシステムは、効率的な並列処理を実現し、高機能を備えている、唯一の標準的なオペレーティングシステムになっています。

Solaris 上の Java は、カーネルのマルチスレッド機能を利用しています。開発者は、単純なプログラミングインタフェースを使用して、マルチプロセッサあるいはシングルプロセッサシステム用の、数千のユーザーレベルのスレッドを持つ Java アプリケーションを作成することができます。

Solaris 上の Java 環境は、「複数対複数」のスレッドモデルをサポートします。図 2-4 に示すように、Solaris の 2 レベルアーキテクチャは、軽量プロセス (LWP) と呼ばれる中間層を提供することによって、プログラミングインタフェースと実装とを分離します。LWP が提供されることにより、アプリケーション開発者は、汎用のアプリケーションレベルのインターフェースを使用して、高速で負荷が軽いスレッドを短期間に作成できます。スレッドを利用するようにアプリケーションを作成しておけば、実行時環境側でスレッドライブラリの実装に基づいて実行可能なスレッドを実行時資源 (LWP) に多重化し、スケジューリングしてくれます。

各 LWP は、コードやシステムコールを実行する仮想の CPU のような動作をします。LWP は、スケジューリングクラスと優先順位に従って、カーネルによって個々にディスパッチされる (振り分けられる) ため、独立にシステムコールを行なったり、独立にページフォルトを発生させたり、複数のプロセッサ上で並列的に動作したりすることができます。スレッドライブラリは、システムのスケジューラとは別のユーザーレベルのスケジューを提供します。ユーザーレベルのスレッドは、カーネルのスケジューリングが可能な LWP によってカーネル内でサポートされます。カーネルの LWP プール上に、多数のユーザースレッドが多重化されます。

図 2-4 Solaris の 2 レベルアーキテクチャ

Solaris スレッドでは、ユーザーレベルのスレッドを LWP に結合するかあるいは LWP に結合しないままにするかを、アプリケーションが選択することができます。ユーザーレベルのスレッドと LWP とは、排他的に結合されます。スレッドの結合は、リアルタイムの応答を必要とするアプリケーションなど、自身の多重性 (並列処理) を厳密に制御する必要があるアプリケーションにとっては便利です。スレッド結合を行う Java API はありません。大部分の Java アプリケーションでは、スレッド結合は必要ないと考えられるためです。結合が必要な場合は、Solaris のネイティブメソッド呼び出しを行なって結合することができます。

このため、すべての Java スレッドはデフォルトでは非結合状態になっています。ユーザーレベルの非結合スレッドの並列処理は、スレッドライブラリが制御します。スレッドライブラリは、アプリケーションが必要とする非結合スレッドに合わせて LWP プールを大きくしたり小さくしたりします。

Solaris 環境のすべての Java アプリケーションで、Solaris 上の Java スレッドに固有の次の機能をデフォルトで使用できます。

• Java スレッドは、Solaris の結合されていないスレッドと基本的には同じなので、結合されていないスレッドの利点を持っています。

• 複数のユーザーレベルのスレッドで 1 つの LWP を共有する機能

• 結合されていないスレッドに対する並列処理を自動的に制御し、アプリケーションの要求に合わせて、スレッドライブラリが LWP プールを大きくしたり小さくしたりします。詳細は「演算を並列的に処理する Java アプリケーションの作成」を参照してください。

• 極端に多くのシステム資源を消費したりシステムパフォーマンを低下させずに、きわめて軽量のユーザースレッドを大量に生成、使用、廃棄することができます。

• 同期プリミティブは、カーネルの関与を必要としないので、システム資源をいっさい消費しません。

• Solaris に固有のマルチスレッド機能。ネイティブメソッドを使用して利用できます。

一般的に、ネイティブスレッドを使用する Solaris のネイティブ機能を、Java アプリケーションが使用しないようにしてください。Java アプリケーションが Solaris プラットフォーム用に限定されてしまい、他のプラットフォームで動作しなくなる可能性があります。また、100% Pure Java^TM にも準拠しなくなります。

Java アプリケーションから Solaris 固有の機能にアクセスすることは推奨できませんが、次に Solaris のマルチスレッドアーキテクチャの豊富な機能の例を紹介します。

• アプリケーションの並列処理をユーザーレベルあるいはシステムレベルで制御するための、結合または非結合スレッドを定義することができます。ネイティブスレッドを使用してのみ、結合 Java スレッドを作成できることに注意してください。

• アプリケーションは、プログラミングインタフェースを介して、アプリケーションの並列処理を制御できます。詳細は、「演算を並列的に処理する Java アプリケーションの作成」を参照してください。

• 1 つのプロセッサで実行し続けることができる LWP にユーザーレベルのスレッドを結合することができます (ネイティブメソッドを使用)。この機能は、マルチプロセッサシステムで動作するリアルタイムアプリケーションに便利です。

• プロセス間で有効な同期プリミティブ

• ファイルに書き込むことによって作成元のスレッドが終了した後にも残存する同期プリミティブ

• Java デーモンスレッドを直接ネイティブにサポートすることができます。デーモンスレッドは、バックグラウンドで動作し、独自に終了条件と動作を持つスレッドです。独自に終了条件と動作を持っているので、スレッドを使用するプロセスから独立して終了できます。デーモンスレッドは、アプリケーションとは無関係にスレッドを作成する必要があるライブラリに便利です。Solaris の JVM は、Java の直接ネイティブにサポートされているデーモンスレッドを活用するわけではありませんが、最終的には利用する場合もあります。

Solaris の 2 レベルモデルでは、多数の異なるプログラミング要件を満たすことができるよう、従来では見られないような高い柔軟性が提供されます。ウィンドウプログラムのように (少なくとも) 見かけ上は多くの要求を並列に処理する必要があるプログラもあれば、行列の乗算を行うプログラムのように並列演算を実際に使用可能な数のプロセッサに割り当てる必要のあるプログラムもあります。2 レベルモデルであることによって、カーネルは、システムサービスに対するスレッドからのアクセスをブロックしたり制限したりせずに、あらゆる種類のプログラムの並列処理要求に応えることができます。

Solaris 上の Java は、システム資源を効率的に使用するように設計されています。スレッドを使用することによるオーバーヘッドを最低限に抑えながら、アプリケーションに数千のスレッドを持たせることができます。スレッドはそれぞれ独立して動作し、同じプロセス中の他のスレッドとプロセス命令を共有したり、データを透過的に共有したりします。またスレッドは、プロセスのオペレーティングシステム状態の多くを共有するので、あるスレッドで開いたファイルを他のスレッドから読み込むこともできます。また程度の差はありますが、別々のプロセス間の同期をとることもできます。

Solaris のスレッドモデルに基づく Java は、速度、多重性、機能、カーネル資源の利用の面で、最良の組み合わせを提供します。