Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Вначале кажется, что описанная ситуация не имеет простого решения. Как можно предотвратить чтение очереди на одном процессоре в тот момент, когда другой процессор обновляет ее? Вполне логично аппаратно реализовать простые инструкции, такие как атомарные арифметические операции или операции сравнения, тем не менее было бы смешно аппаратно реализовывать критические участки неопределенного размера, как в приведенном примере. Все что нужно — это предоставить метод, который позволяет отметить начало и конец; критического участка, и предотвратить или заблокировать (lock) доступ к этому участку, пока другой поток выполняет его.

Блокировки (lock) предоставляют такой механизм. Он работает почти так же, как и дверной замок. Представим, что комната, которая находится за дверью, — это критический участок. Внутри комнаты в любой момент времени может присутствовать только один поток выполнения. Когда поток входит в комнату, он запирает за собой дверь. Когда поток заканчивает манипуляции с совместно используемыми данными, он выходит из комнаты, отпирая дверь перед выходом. Если другой поток подходит к двери, когда она заперта, то он должен ждать, пока поток, который находится внутри комнаты, не отопрет дверь и не выйдет. Потоки удерживают блокировки, а блокировки защищают данные.

В приведенном выше примере очереди запросов для защиты очереди может использоваться одна блокировка. Как только необходимо добавить запрос в очередь, поток должен вначале захватить блокировку. Затем он может безопасно добавить запрос в очередь и после этого освободить блокировку. Если потоку необходимо извлечь запрос из очереди, он тоже должен захватить блокировку. После этого он может прочитать запрос и удалить его из очереди. В конце поток освобождает блокировку. Любому другому потоку для доступа к очереди также необходимо аналогичным образом захватывать блокировку. Так как захваченная блокировка может удерживаться только одним потоком в любой момент времени, то только один поток может производить манипуляции с очередью в любой момент времени. Блокировка позволяет предотвратить конкуренцию и защитить очередь от состояния конкуренции за ресурс.

Код, которому необходимо получить доступ к очереди, должен захватить соответствующую блокировку. Если неожиданно появляется другой поток выполнения, то это позволяет предотвратить конкуренцию.

Поток 1                                                                   Поток 2

Попытаться заблокировать очередь попытаться заблокировать очередь

успешно: блокировка захвачена    неудачно: ожидаем...

                                 ожидаем...

обратиться к очереди...          ожидаем...

разблокировать очередь           успешно: блокировка захвачена

...

                                 обратиться к очереди...

                                 разблокировать очередь

                                 ...

Заметим, что блокировки бывают необязательными (рекомендуемыми, advisory) и обязательными (навязываемыми, voluntary). Блокировки — это чисто программные конструкции, преимуществами которых должны пользоваться программисты. Никто не запрещает писать код, который манипулирует нашей воображаемой очередью без использования блокировок. Однако такая практика в конечном итоге приведет к состоянию конкуренции за ресурс и разрушению данных.

Блокировки бывают различных "форм" и "размеров". В операционной системе Linux реализовано несколько различных механизмов блокировок. Наиболее существенная разница между ними — это поведение кода в условиях, когда блокировка захватывается (конфликт при захвате блокировки, contended lock). Для некоторых типов блокировок, задания просто ожидают освобождения блокировки, постоянно выполняя проверку освобождения в замкнутом цикле (busy wait[44]), в то время как другие тины блокировок переводят задание в состояние ожидания до тех пор, пока блокировка не освободится.

В следующей главе рассказывается о том, как ведут себя различные типы блокировок в операционной системе Linux, и об интерфейсах взаимодействия с этими блокировками.

Проницательный читатель в этом месте должен воскликнуть: "Блокировки не решают проблемы, они просто сужают набор всех возможных критических участков до кода захвата и освобождения блокировок. Тем не менее, здесь потенциально может возникать состояние конкуренции за ресурсы, хотя и с меньшими последствиями!" К счастью, блокировки реализованы на основе атомарных операций, которые гарантируют, что состояние конкуренции за ресурсы не возникнет. С помощью одной машинной инструкции выполняется проверка захвачен ли ключ, и, если нет, то этот ключ захватывается. То, как это делается, очень сильно зависит от аппаратной платформы, но почти для всех процессоров определяется машинная инструкция test-and-set (проверить и установить), которая позволяет проверить значение целочисленной переменной и присвоить этой переменной указанное число, если се значение равно нулю. Значение нуль соответствует незахваченной блокировке.

Откуда берется параллелизм

При работе в пространстве пользователя необходимость синхронизации возникает из того факта, что программы выполняются преемптивно, т.е. могут быть вытеснены другой программой по воле планировщика. Поскольку процесс может быть вытеснен в любой момент и другой процесс может быть запущен планировщиком для выполнения на этом же процессоре, появляется возможность того, что процесс может быть вытеснен независящим от него образом во время выполнения критического участка. Если новый, запланированный на выполнение процесс входит в тот же критический участок (скажем, если оба процесса — потоки одной программы, которые могут обращаться к общей памяти), то может возникнуть состояние конкуренции за ресурс. Аналогичная проблема может возникнуть даже в однопоточной программе при использовании сигналов, так как сигналы приходят асинхронно. Такой тип параллелизма, когда два события происходят не одновременно, а накладываются друг на друга, так вроде они происходят в один момент времени, называется псевдопараллелизмом (pseudo-concurrency).

На машине с симметричной многопроцессорностью два процесса могут действительно выполнять критические участки в один и тот же момент времени. Это называется истинным, параллелизмом (true concurrency). Хотя причины и семантика истинного и псевдопараллелизма разные, они могут приводить к совершенно одинаковым состояниям конкуренции и требуют аналогичных средств защиты. В ядре причины параллельного выполнения кода следующие.

• Прерывания. Прерывания могут возникать асинхронно, практически в любой момент времени, прерывая код, который выполняется в данный момент.

• Отложенные прерывания и тасклеты. Ядро может выполнять обработчики softirq и тасклеты практически в любой момент времени и прерывать код, который выполняется в данный момент времени.

• Преемптивность ядра. Так как ядро является вытесняемым, то одно задание, которое работает в режиме ядра, может вытеснить другое задание, тоже работающее в пространстве ядра.

• Переход в состояние ожидания и синхронизация с пространством пользователя. Задание, работающее в пространстве ядра, может переходить в состояние ожидания, что вызывает активизацию планировщика и выполнение нового процесса.

• Симметричная многопроцессорность. Два или больше процессоров могут выполнять код в один и тот же момент времени.

Важно, что разработчики ядра поняли все причины и подготовились к возможным случаям параллелизма. Если прерывание возникает во время выполнения кода, который работает с некоторым ресурсом, и обработчик прерывания тоже обращается к этому же ресурсу, то это является ошибкой. Аналогично ошибкой является и то, что код ядра вытесняется в тот момент, когда он обращается к совместно используемому ресурсу. Переход в состояние ожидания во время выполнения критического участка в ядре открывает большой простор для состояний конкуренции за ресурсы. И наконец, два процессора никогда не должны одновременно обращаться к совместно используемым данным. Когда ясно, какие данные требуют защиты, то уже нетрудно применить соответствующие блокировки, чтобы обеспечить всем безопасность. Сложнее идентифицировать возможные условия возникновения таких ситуаций и определить, что для предотвращения конкуренции необходима та или иная форма защиты. Давайте еще раз пройдем через этот момент, потому что он очень важен. Применить блокировки в коде для того, чтобы защитить совместно используемые данные, — это не тяжело, особенно если это делается на самых ранних этапах разработки кода. Сложность состоит в том, чтобы найти эти самые совместно используемые данные и эти самые критические участки. Именно поэтому требование аккуратного использования блокировок с самого начала разработки кода — а не когда-нибудь потом — имеет первостепенную важность. Постфактум очень сложно отследить, что необходимо блокировать, и правильно внести изменения в существующий код. Результаты подобной разработки обычно не очень хорошие. Мораль — всегда нужно аккуратно учитывать необходимость применения блокировок с самого начала процесса разработки кода.