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2. Questions indépendantes de l'architecture.

2.1 Côté noyau

  1. Linux supporte-t-il les threads multiples ? Si je lance deux ou plusieurs processus, seront-ils répartis entre les différents processeurs disponibles ?

    Oui. Les processus et les threads du noyau sont répartis entre les processeurs. Ceux de l'espace utilisateur ne le sont pas.

  2. Quelles sont les architectures SMP supportées ?

    D'après Alan Cox :

    Les versions 2.0 du noyau supportent les systèmes SMP de type hypersparc (SS20, etc...) et Intel 486, Pentium ou machines supérieurs compatible avec la norme Intel MP1.1/1.4. Richard Jelinek ajoute : jusqu'à présent, seul des systèmes ne comprenant pas plus de 4 processeurs ont été testés. La spécification MP (et donc Linux) autorise théoriquement jusqu'à 16 processeurs.

    Le support SMP pour les architectures UltraSparc, SparcServer, Alpha et PowerPC est disponible dans le 2.2.x.

    De Ralf Bächle :

    MIPS, m68k et ARM ne gèrent pas le SMP; les deux derniers ne le supporteront probablement jamais.

    Ceci étant, je ferai un hack pour MIPS-SMP dès que j'aurais une machine SMP...

  3. Comment construire un noyau Linux gérant le SMP ?

    La plupart des distributions ne fournissent pas un noyau adapté au SMP. Vous devrez donc en faire un vous même. Si vous n'avez encore jamais compilé de noyau, voila une excellente occasion d'apprendre. Expliquer comment compiler un nouveau noyau dépasse le cadre de ce document; préférez-vous au Linux Kernel Howto pour de plus amples informations (C. Polisher). Dans la série 2.0 jusqu'à la version 2.1.132 exclue du noyau, décommentez la ligne SMP=1 dans le Makefile principal (/usr/src/linux/Makefile).

    Dans la version 2.2, configurez le noyau et répondez "oui" à la question "Symetric multi-processing support" (Michael Elizabeth Chastain).

    Autorisez l'horloge temps réel en cochant l'option "RTC support" (Robert G. Brown). Notez qu'inclure le support RTC, en réalité, pour autant que je sache, n'empêche pas le problème connu de la dérive de l'horloge avec le SMP : activer cette fonctionnalité avertit en cas de lecture de l'horloge au démarrage. Une note de Richard Jelinek signale aussi qu'activer "Enhandced RTC" est nécessaire pour activer le deuxième processeur (identification) sur certaines cartes mère Intel exotiques.

    Enfin, sur plate-forme Intel, N'ACTIVEZ PAS l'option APM (Advanced Power Management)! APM et SMP sont incompatibles et votre système plantera certainement (ou du moins probablement ;)) au démarrage si APM est activé (Jakob Oestergaard). Alan Cox le confirme : désactivez APM pour les machines SMP en 2.1.x. En gros le comportement APM est indéfini en présence de systèmes SMP et tout peut arriver. Toujours sur plate-forme Intel, activez "MTRR (Memory Type Range Register) support". Certains BIOS sont défectueux et n'activent pas la mémoire cache du second processeur. Le support MTRR contient le code pour y remédier.

    Vous devez reconstruire votre noyau et vos modules quand vous passez en SMP et quand vous changez de mode SMP. N'oubliez pas d'effectuer un make modules et un make modules_install (Alan Cox).

    Si vous obtenez des erreurs au chargement des modules, vous n'avez probablement pas réinstallé vos modules. Néanmoins, avec quelques noyaux 2.2.x, certains ont rapporté des problèmes lors de la recompilation d'un noyau SMP en noyau UP (Uni-Processeur). Afin de résoudre cela, sauvegardez votre fichier .config, et faites un make mrproper, restaurez votre fichier .config et recompilez votre noyau (make dep, etc...) (Wade Hampton). N'oubliez pas de relancer lilo après avoir recopié votre nouveau noyau.

    Récapitulation : 

    make config # ou menuconfig ou xconfig
make dep
make clean
make bzImage # ou ce que vous voulez
# copiez l'image du noyau manuellement puis RELANCER LILO
# ou make lilo
make modules
make modules_install

  4. Comment compile-t-on un noyau Linux non-SMP ?

    Dans la série 2.0, commentez la ligne SMP=1 dans le Makefile principal (/usr/src/linux/Makefile).

    Pour la série 2.2, configurez le noyau et répondez "no" à la question "Symmetric multi-processing support" (Michael Elizabeth Chastain).

    Vous devez absolument recompiler votre noyau et ses modules pour activer ou désactiver le mode SMP. N'oubliez pas de faire make modules, make modules_install et de relancer lilo. Voyez les notes plus haut sur les problèmes de configuration possibles.

  5. Savoir si ça marche

     cat /proc/cpuinfo

    Sortie typique (bi-PentiumII): 

    processor       : 0
cpu             : 686
model           : 3
vendor_id       : GenuineIntel
[...]
bogomips        : 267.06
processor       : 1
cpu             : 686
model           : 3
vendor_id       : GenuineIntel
[...]
bogomips        : 267.06

  6. Statut de la migration du noyau vers un verrouillage fin et le multithreading ?

    La version 2.2 du noyau possède une gestion des signaux, des interruptions et de quelque E/S à verrouillage fin (fine grain locking). Le reste est en cour de migration. En mode SMP, plusieurs processus peuvent être ordonnancés simultanément.

    Les noyaux 2.3 (futur 2.4) possèdent vraiment des verrous noyaux fins. Dans la série des noyaux 2.3 l'usage des gros blocages noyau a tout simplement disparu. Tous les sous-systèmes majeurs du noyau Linux sont complètement codés avec des threads : réseau, VFS, VM, ES, block/pages de cache, ordonnancement, interruptions, signaux, etc... (Ingo Molnar)

  7. Linux SMP supporte-t-il les affinités processeur ?

    Noyaux standard

    Oui et non. Il n'est pas possible de forcer l'assignation d'un processus à un processeur spécifique mais l'ordonnanceur Linux possède un parti-pris pour chaque processus qui tend à conserver les processus attachés à un processeur spécifique.

    Noyau patché

    Oui. Voir PSET - Processor Sets for the Linux kernel:

    Ce projet a pour but d'offrir une version compatible au niveau sources et fonctionnalités de pset (tel que défini par SGI - partiellement retiré de leur noyau 6.4 IRIX) pour Linux. Cela autorise les utilisateurs à déterminer sur quel processeur ou ensemble de processeurs un processus peut tourner. Les utilisations possibles incluent l'assignement de thread à des processeurs distincts, la synchronisation, la sécurité (un processeur dédié à `root') et sûrement davantage encore.

    Nous nous sommes attachés à concentrer toutes les fonctionnalités autour de l'appel système sysmp(). Cette routine accepte un certain nombre de paramètres qui déterminent la fonctionnalité requise. Ces fonctions comprennent:

    • affecter un processus/thread à un processeur spécifique;
    • interdire un processeur d'exécuter certains processus;
    • empêcher strictement l'utilisation d'un processeur;
    • assigner à un processeur un _unique_ processus (et ses fils);
    • information sur l'état du processeur;
    • créer/supprimer un ensemble de processeurs, sur lesquels les processus peuvent être limités

  8. A qui rapporter les bogues SMP ?

    Signalez s'il vous plaît les bogues à linux-smp@vger.rutgers.edu.

  9. A propos des performances SMP

    Si vous voulez mesurer les performances de votre système SMP, vous pouvez essayer les tests de Cameron MacKinnon, disponibles à http://www.phy.duke.edu/brahma/benchmarks.smp.

2.2 Côté utilisateur

  1. Ai-je vraiment besoin de SMP ?

    Si vous vous le demandez, vous n'en avez probablement pas besoin. :) En général les systèmes multiprocesseurs offrent de meilleurs performances que les systèmes monoprocesseurs, mais pour obtenir un gain quelconque vous devez considérer bien d'autres facteurs que le seul nombre de processeurs. Par exemple, sur un système donné, si le processeur est en général inactif, la plupart du temps à cause d'un disque dur lent, alors le système est bloqué au niveau des entrées/sorties ("input/output bound"); il ne bénéficiera probablement pas de la puissance d'un processeur supplémentaire. Si, d'un autre coté, un système doit exécuter beaucoup de processus simultanément et que l'utilisation processeur est très forte, alors vous êtes susceptible d'améliorer les performances de votre système. Les disques dur SCSI peuvent être très efficaces en utilisation avec plusieurs processeurs. Ils peuvent gérer plusieurs commandes simultanément sans immobiliser le processeur (C. Polisher).

  2. Obtient-on les mêmes performances avec un biprocesseur 300 MHz qu'avec un processeur 600 MHz ?

    Tout dépend de l'application, mais généralement non. Le SMP implique quelques "frais de gestion" absents d'une machine monoprocesseur. (Wade Hampton). :)

  3. Comment afficher les performances de plusieurs processeurs ?

    Grâce à Samuel S. Chessman, se ici trouvent quelques utilitaires pratiques :

    Character based:

    http://www.cs.inf.ethz.ch/~rauch/procps.html

    En gros, il s'agit de procps v1.12.2 (top, ps, et. al.) et de quelques patches pour le support SMP.

    Pour les 2.2.x, Gregory R. Warnes a rendu disponible un patch à http://queenbee.fhcrc.org/~warnes/procps

    Graphique:

    xosview-1.5.1 supporte le SMP, les noyaux supérieurs au 2.1.85 (inclus) et l'entrée cpuX dans le fichier /proc/stat.

    Page d'accueil officielle pour xosview : http://lore.ece.utexas.edu/~bgrayson/xosview.html

    Vous ici trouverez une version patchée par Kumsup Lee pour les noyaux 2.2.p : http://www.ima.umn.edu/~klee/linux/xosview-1.6.1-5a1.tgz

    Les différents patches noyau de Forissier sont disponibles à : http://www-isia.cma.fr/~forissie/smp_kernel_patch/

    Néanmoins, vous ne pouvez pas contrôler l'ordonnancement de façon précise avec xosview car ce dernier le perturbe (H. Peter Anvin).

  4. Comment autoriser plus d'un processus lors de la compilation du noyau ?

    Utiliser : 

     # make [modules|zImage|bzImages] MAKE="make -jX"
 où X = nombre maximum de processus.
 Notez que ça ne marche pas avec "make dep".

    Avec un noyau 2.2, référez vous au fichier /usr/src/linux/Documentation/smp.txt pour des instructions précises.

    Par exemple, comme lancer de multiples compilateurs autorise une machine avec suffisamment de mémoire à utiliser le temps processeur autrement perdu durant les délais causés par les E/S, make MAKE="make -j 2" -j 2 aide réellement même sur les machines monoprocesseurs. (de Ralf Bächle).

  5. Pourquoi le temps donné par la commande time est-il erroné ? (de Joel Marchand)

    Dans la série des 2.0, le résultat de la commande time est faux. La somme utilisateur+système est juste *mais* 'l'étendue' entre le temps utilisateur et le temps système est faux.

    Plus précisément : "tout le temps passé sur un processeur autre que celui de démarrage est comptabilisé comme temps système. Si vous chronométrez un programme, ajoutez le temps utilisateur et le temps système. Votre mesure sera alors correcte, à ceci près qu'elle inclura aussi le temps système qui restera à décompter" (Jakob Østergaard).

    Ce bogue est corrigé dans les versions 2.2.

2.3 Programmation SMP

Section par Jakob Østergaard.

Cette section a pour but de signaler ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas quand il s'agit de programmer des logiciels avec des threads pour Linux SMP.

Méthodes de parallélisation

  1. threads POSIX (POSIX Threads)
  2. PVM / MPI Message Passing Libraries
  3. fork() -- Processus multiples

Comme ni fork() ni les processus PVM/MPI ne partagent généralement la mémoire, mais communiquent au moyen d'IPC ou d'une API de messagerie, ils ne seront pas décrits davantage dans cette section. Ils ne sont pas vraiment spécifiques à SMP, puisqu'ils sont tout autant employés - sinon plus - avec des ordinateurs monoprocesseurs et des clusters.

Seuls les threads POSIX fournissent des threads multiples partageant certaines ressources telles la mémoire. Cette propriété des machines SMP autorise plusieurs processeurs à partager leur mémoire. Pour employer deux (ou plus ;) ) processeurs avec un système SMP, utilisez une librairie de thread du noyau. Une bonne librairie LinuxThreads, une librairie de thread écrite par Xavier Leroy est maintenant intégrée avec la glibc2 (aka libc6). Les distributions Linux récentes intègrent toutes cette librairie par défaut. Vous n'avez donc pas à obtenir un paquetage séparé pour utiliser les threads du noyau.

Il existe des mises en oeuvre des threads (et thread POSIX) de niveau application qui ne tirent pas avantage des threads du noyau. Ces paquetages gardent le thread dans un seul processus et, partant, ne profitent pas du SMP. Néanmoins, elles sont bonnes pour beaucoup d'applications et ont tendance à être plus rapides que les threads du noyau sur des systèmes monoprocesseurs.

Le multithreading n'a jamais été vraiment populaire dans le monde UN*X. Pour diverses raisons, les applications exigeant de multiples processus ou threads ont été pour la plupart écrites en utilisant fork(). Donc, avec une approche de type threads, on rencontre des problèmes d'incompatibilités et de non-adaptation aux thread des librairies, compilateurs et débogueurs. GNU/Linux n'y fait pas exception. Espérons que les sections qui suivent apporteront quelques lumières sur ce qui est possible et sur ce qui ne l'est pas.

La librairie C

Les vieilles librairies ne sont pas sûres au niveau des threads. Il est très important que vous utilisiez la GNU libc (glibc), aussi connue sous le nom de libc6. Vous pouvez évidemment utiliser des versions antérieurs, mais cela vous causera plus de problèmes que mettre à jour votre système. Enfin, probablement :)

Si vous voulez utiliser GDB pour déboguer vos programmes, voyez plus bas.

Langages, compilateurs et débogueurs

Il existe de nombreux langages de programmation disponibles pour GNU/Linux et beaucoup d'entre eux utilisent les threads d'une manière ou d'une autre. Certains langages comme Ada et Java incluent même les threads dans les primitives du langage.

Cette section, pour l'instant, ne décrira que le C et le C++. Si vous avez une expérience de programmation SMP avec d'autre langages, merci de nous en faire part.

Les compilateurs GNU C et C++, tout comme EGCS C et C++, fonctionnent avec le support thread de la librairie C standard (glibc). Il y a néanmoins quelques problèmes :

  1. Quand vous compilez en C ou C++, incluez -D_REENTRANT dans la ligne de commande du compilateur. Il est nécessaire d'activer certaines fonctions de gestion des erreurs telles celles relatives à la variable errno.
  2. Quand vous utilisez C++, si deux threads rencontrent des exceptions simultanément, le programme retournera une erreur de segmentation. Le compilateur génère un code d'exception inadapté aux threads. Une manière de contourner le problème consiste à mettre un pthread_mutex_lock(&global_exception_lock) dans le(s) constructeur(s) de chaque classe que vous throw() et à insérer le pthread_mutex_unlock(...) correspondant dans le destructeur. Ce n'est pas très beau mais ça marche. Cette solution a été fournie par Markus Ferch.

Le débogueur GNU GDB, à partir de la version 4.18, devrait prendre en charge les threads correctement. La plupart des distributions Linux comprennent une version patchée de gdb qui gère les threads.

Il n'est pas nécessaire de patcher la glibc pour qu'elle fonctionne avec des threads. Si vous n'avez pas besoin de déboguer le logiciel (cela peut-être vrai pour toutes les machines qui ne sont pas dédiées au développement), il n'y a pas besoin de patcher la glibc.

Notez que les core-dumps ne sont d'aucune utilité quand vous utilisez des threads. D'une manière ou d'une autre, le core dump est attaché au thread courant et non au programme tout entier. Aussi, pour déboguer quoi que ce soit, faites le depuis le débogueur.

Astuce : si vous avez un thread qui perd la tête, se met à utiliser 100% du temps CPU et que vous ne voyez pas pourquoi, voici une méthode élégante de trouver ce qui se passe : lancez le programme depuis la ligne de commande, sans GDB. Faites dérailler votre thread. Utilisez top pour obtenir le PID du processus. Lancez GDB tel que gdb program pid. GDB s'attachera lui-même au processus dont vous avez spécifié le PID et arrêtera le thread. Vous disposez maintenant d'une session GDB avec le thread incriminé et vous pouvez utiliser bt ou d'autres commandes pour suivre ce qui se passe.

Autres librairies

ElectricFence : cette librairie n'est pas sûre du point de vue SMP. Il devrait néanmoins être possible de la faire fonctionner dans un environnement threadé en insérant des verrous dans son code source.

Autres points concernant la programmation SMP

  1. Où puis-je trouver plus d'informations sur la programmation parallèle ?

    Voyez Linux Parallel Processing HOWTO

    Beaucoup d'informations utiles se trouvent sur Parallel Processing using Linux

    Voyez aussi Linux Threads FAQ

  2. Existe-t-il des programmes ou des librairies utilisant les threads ?

    Oui. Pour les programmes vous devriez regarder à Multithreaded programs on linux (j'adore les liens hypertextes, le saviez vous ? ;))

    En ce qui concerne les librairies :

    OpenGL Mesa library

    Grâce à David Buccarelli, andreas Schiffler et Emil Briggs, il existe une version multithread (à l'heure actuelle [1998-05-11], une version fonctionne et permet d'obtenir un accroissement de 5-30% avec certaines suites de test OpenGL). La partie multithread est maintenant incluse dans la distribution Mesa officielle comme une option expérimentale. Pour plus d'information, voyez Mesa library

    BLAS

    BLAS et FFTs optimisés Pentium pro pour Intel Linux

    Les routines multithread BLAS ne sont pas disponibles pour l'instant, mais une librairie multithread est prévue pour 1998-05-27, voir Blas News pour plus de détails.

    The GIMP

    Emil Briggs, la même personne qui est impliquée dans la version multithread de MESA, est aussi en train de travailler sur la version multithread des plugins de The Gimp. Voyez http://nemo.physics.ncsu.edu/~briggs/gimp/index.html pour plus d'info.

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