Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Во время разработки ядер серии 2.5 механизм BH был в конце концов выброшен, потому что все пользователи этого механизма конвертировали свой код для использования других интерфейсов обработки нижних половин. В дополнение к этому, интерфейс очередей заданий был заменен на новый интерфейс очередей отложенных действий (work queue). Очереди отложенных действий— это простой и в то же время полезный механизм, позволяющий поставить некоторое действие в очередь для выполнения в контексте процесса в более поздний момент времени.

Следовательно, сегодня ядро серии 2.6 предоставляет три механизма обработки нижних половин в ядре: отложенные прерывания, тасклеты и очереди отложенных действий. В ядре также использовались интерфейсы BH и очередей заданий, но сегодня от них осталась только светлая память.

Таймеры ядра

Еще один механизм выполнения отложенной работы — это таймеры ядра. В отличие от механизмов, рассмотренных в этой главе, таймеры позволяют отсрочить работу на указанный интервал времени. Инструменты, описанные в этой главе, могут быть полезны для откладывания работы с текущего момента до какого-нибудь момента времени в будущем. Таймеры используются для откладывания работы до того момента, пока не пройдет указанный период времени.

Поэтому таймеры имеют другое назначение, чем механизмы, описанные в данной главе. Более полное обсуждение таймеров ядра будет приведено в главе 10, "Таймеры и управление временем".

Путаница с нижними половинами

Некоторая путаница с обработчиками нижних половин имеет место, но на самом деле — это только проблема названий. Давайте снова вернемся к этому вопросу.

Термин "нижняя половина" ("bottom half") — это общий термин, который касается операционных систем и связан с тем, что некоторая часть процесса обработки прерывания откладывается на будущее. В операционной системе Linux сейчас этот термин означает то же самое. Все механизмы ядра, которые предназначены для отложенной обработки, являются обработчиками нижних половин.

Некоторые люди также называют обработчики нижних половин программными прерываниями иди "softirq", но они просто пытаются досадить остальным.

Термин "Bottom Half" также соответствует названию самого первого механизма выполнения отложенных действий в операционной системе Linux. Этот механизм еще называется "BH", поэтому далее так будем называть именно этот механизм, а термин "нижняя половина" ("bottom half") будет касаться общего названия. Механизм BH был некоторое время назад выключен из употребления и полностью изъят в ядрах серии 2.5.

Сейчас есть три метода для назначения отложенных операций: механизм отложенных прерываний (softirq), механизм тасклетов и механизм очередей отложенных действий. Тасклеты построены на основе механизма softirq, а очереди отложенных действий имеют полностью отличную реализацию. В табл. 7.1 показана история обработчиков нижних половин.

Таблица 7.1. Состояние обработчиков нижних половин

Механизм обработчиков Состояние BH Изъято в серии 2.5 Очереди заданий Изъято в серии 2.5 Отложенные прерывания Доступно начиная с серии 2.3 Тасклеты Доступно начиная с серии 2.3 Очереди отложенных действий Доступно начиная с серии 2.3

Давайте продолжим рассмотрение каждого из механизмов в отдельности, пользуясь этой устойчивой путаницей в названиях.

Механизм отложенных прерываний (softirq)

Обсуждение существующих методов обработки нижних половин начнем с механизма softirq. Обработчики на основе механизма отложенных прерываний используются редко. Тасклеты — это более часто используемая форма обработчика нижних половин. Поскольку тасклеты построены на основе механизма softirq, с механизма softirq и стоит начать. Код, который касается обработчиков отложенных прерываний, описан в файле kernel/softirq.c.

Реализация отложенных прерываний

Отложенные прерывания определяются статически во время компиляции. В отличие от тасклетов, нельзя динамически создать или освободить отложенное прерывание. Отложенные прерывания представлены с помощью структур softirq_action, определенных в файле <linux/interrupt.h> в следующем виде.

/*

* структура, представляющая одно отложенное прерывание

*/

struct softirq_action {

 void (*action)(struct softirq_action*);

       /* функция, которая должна выполниться */

 void *data; /* данные для передачи в функцию */

};

Массив из 32 экземпляров этой структуры определен в файле kernel/softirq.с в следующем виде.

static struct softirq_action softirq_vec[32];

Каждое зарегистрированное отложенное прерывание соответствует одному элементу этого массива. Следовательно, имеется возможность создать 32 обработчика softirq. Заметим, что это количество фиксировано. Максимальное число обработчиков softirq не может быть динамически изменено. В текущей версии ядра из 32 элементов используется только шесть[37].

Обработчик softirq

Прототип обработчика отложенного прерывания, поля action, выглядит следующим образом.

void softirq_handler(struct softirg_action*);

Когда ядро выполняет обработчик отложенного прерывания, то функция action вызывается С указателем на соответствующую структуру softirq_action в качестве аргумента. Например, если переменная my_softirq содержит указатель на элемент массива softirq_vec, то ядро вызовет функцию-обработчик соответствующего отложенного прерывания в следующем виде.

my_softirq->action(my_softirq);

Может быть, несколько удивляет, что ядро передает в обработчик указатель на всю структуру, а не только на поле data. Этот прием позволяет в будущем вводить дополнительные поля в структуру без необходимости внесения изменений в существующие обработчики. Обработчик может получить доступ к значению ноля data простым разыменованием указателя на структуру и чтением ее поля data.

Обработчик одного отложенного прерывания никогда не вытесняет другой обработчик softirq. Б действительности, единственное событие, которое может вытеснить обработчик softirq, — это аппаратное прерывание. Однако на другом процессоре одновременно с обработчиком отложенного прерывания может выполняться другой (и даже этот же) обработчик отложенного прерывания.

Выполнение отложенных прерываний

Зарегистрированное отложенное прерывание должно быть отмечено для того, чтобы его можно было выполнить. Это называется генерацией отложенного прерывания (rise softirq). Обычно обработчик аппаратного прерывания перед возвратом отмечает свои обработчики отложенных прерываний. Затем в подходящий момент времени отложенное прерывание выполняется. Ожидающие выполнения обработчики отложенных прерываний проверяются и выполняются в следующих ситуациях.

• После обработки аппаратного прерывания.

• В контексте потока пространства ядра ksoftirqd.

• В любом коде ядра, который явно проверяет и выполняет ожидающие обработчики отложенных прерываний, как, например, это делает сетевая подсистема.

Независимо от того, каким способом выполняется отложенное прерывание, его выполнение осуществляется в функции do_softirq(). Эта функция по-настоящему проста. Если есть ожидающие отложенные прерывания, то функция do_softirq() в цикле проверяет их все и вызывает ожидающие обработчики. Давайте рассмотрим упрощенный вариант наиболее важной части функции do_softirq().

u32 pending = softirq_pending(cpu);

if (pending) {

 struct softirq_action *h = softirq_vec;

 softirq_pending(cpu) = 0;

 do {

  if (pending & 1)

   h->action(h);

  h++;

  pending >>= 1;

 } while (pending);

}

Этот фрагмент кода является сердцем обработчика отложенных прерываний. Он проверяет и выполняет все ожидающие отложенные прерывания.

• Присваивает локальной переменной pending значение, возвращаемое макросом softirq_pending(). Это значение — 32-х разрядная битовая маска ожидающих на выполнение отложенных прерываний. Если установлен бит с номером n, то отложенное прерывание с этим номером ожидает на выполнение.

• Когда значение битовой маски отложенных прерываний сохранено, оригинальная битовая маска очищается[38].