Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Условные переменные представляются с помощью структуры struct completion, которая определена в файле <linux/completion.h>.

Статически условная переменная может быть создана с помощью макроса

DECLARE_COMPLETION(mr_comp);

Динамически созданная условная переменная может быть инициализирована с помощью функции init_completion().

Задание, которое должно ожидать на условной переменной, вызывает функцию wait_for_completion(). После того как наступило ожидаемое событие, вызов функции complete() посылает сигнал заданию, которое ожидает на условной переменной, и это задание возвращается к выполнению. В табл. 9.7 приведены методы работы с условными переменными.

Таблица. 9.7. Методы работы с условными переменными

Метод Описание init_completion(struct completion*) Инициализация динамически созданной условной переменной в заданной области памяти wait_for_completion(struct completion*) Ожидание сигнала на указанной условной переменной complete(struct completion*) Отправка сигнала всем ожидающим заданиям и возвращение их к выполнению

Для примеров использования условных переменных смотрите файлы kernel/sched.c и kernel/fork.с. Наиболее часто используются условные переменные, которые создаются динамически, как часть структур данных. Код ядра, который ожидает на инициализацию структуры данных, вызывает функцию wait_for_completion(). Когда инициализация закончена, ожидающие задания возвращаются к выполнению с помощью вызова функции complete().

BKL: Большая блокировка ядра

Добро пожаловать к "рыжему пасынку" ядра. Большая блокировка ядра (Big Kernel Lock, BKL) — это глобальная спин-блокировка, которая была создана специально для того, чтобы облегчить переход от первоначальной реализации SMP в операционной системе Linux к мелкоструктурным блокировкам. Блокировка BKL имеет следующие интересные свойства.

• Во время удержания BKL можно переходить в состояние ожидания. Блокировка автоматически освобождается, когда задание переходит в состояние ожидания, и снова захватывается, когда задание планируется на выполнение. Конечно, это не означает, что безопасно переходить в состояние ожидания при удержании BKL, просто это можно делать и это не приведет к взаимоблокировке.

• Блокировка BKL рекурсивна. Один процесс может захватывать эту блокировку несколько раз подряд, и это не приведет к самоблокировке, как в случае обычных спин-блокировок.

• Блокировка BKL может использоваться только в контексте процесса.

• Блокировка BKL — это от лукавого.

Рассмотренные свойства дали возможность упростить переход от ядер серии 2.0 к серии 2.2. Когда в ядро 2.0 была введена поддержка SMP, только одно задание могло выполняться в режиме ядра в любой момент времени (конечно, сейчас ядро распараллелено очень хорошо — пройден огромный путь). Целью создания ядра серии 2.2 было обеспечение возможности параллельного выполнения кода ядра на нескольких процессорах. Блокировка BKL была введена для того, чтобы упростить переход к мелкоструктурным блокировкам. В те времена она оказала большую помощь, а сегодня она приводит к ухудшению масштабируемости[51].

Использовать блокировку BKL не рекомендуется. На самом деле, новый код никогда не должен использовать BKL. Однако эта блокировка все еще достаточно интенсивно используется в некоторых частях ядра. Поэтому важно понимать особенности большой блокировки ядра и интерфейса к ней. Блокировка BKL ведет себя, как обычная спин-блокировка, за исключением тех особенностей, которые были рассмотрены выше. Функция lock_kernel() позволяет захватить блокировку, а функция unlock_kernel() — освободить блокировку. Каждый поток выполнения может рекурсивно захватывать эту блокировку, но после этого необходимо столько же раз вызвать функцию unlock_kernel(). При последнем вызове функции освобождения блокировки блокировка будет освобождена. Функция kernel_locked() возвращает ненулевое значение, если блокировка в данный момент захвачена, в противном случае возвращается нуль. Эти интерфейсы определены в файле <linux/smp_lock.h>. Рассмотрим простой пример использования этой блокировки.

lock_kernel();

/*

* Критический раздел, который синхронизирован со всеми пользователями

* блокировки BKL...

* Заметим, что здесь можно безопасно переходить в состояние ожидания

* и блокировка будет прозрачным образом освобождаться.

* После перепланирования блокировка будет прозрачным образом снова

* захватываться.

* Это гарантирует, что не возникнет состояния взаимоблокировки,

* но все-таки лучше не переходить в состояние ожидания,

* если необходимо гарантировать защиту данных!

*/

unlock_kernel();

Когда эта блокировка захвачена, происходит запрещение преемптивности. Для ядер, скомпилированных под однопроцессорную машину, код BKL на самом деле не выполняет никаких блокировок. В табл. 9.8 приведен полный список функций работы с BKL.

Таблица 9.8. Функции работы с большой блокировкой ядра

Функция Описание lock_kernel() Захватить блокировку BKL unlock_kernel() Освободить блокировку BKL kernel_locked() Возвратить ненулевое значение, если блокировка захвачена, и нуль- в противном случае

Одна из самых главных проблем, связанных с большой блокировкой ядра, — как определить, что защищается с помощью данной блокировки. Часто блокировка BKL ассоциируется с кодом (например, она "синхронизирует вызовы функции foo()"), а не с данными ("защита структуры foo"). Это приводит к тому, что заменить BKL обычными спин-блокировками бывает сложно, потому что нелегко определить, что же все-таки необходимо блокировать. На самом деле, подобная замена еще более сложна, так как необходимо учитывать все взаимоотношения между всеми участками кода, которые используют эту блокировку.

Секвентные блокировки

Секвентная блокировка (seq lock) — это новый тип блокировки, который появился в ядрах серии 2.6. Эти блокировки предоставляют очень простой механизм чтения и записи совместно используемых данных. Работа таких блокировок основана на счетчике последовательности событий. Перед записью рассматриваемых данных захватывается спин-блокировка, и значение счетчика увеличивается на единицу. После записи данных значение счетчика снова увеличивается на единицу, и спин-блокировка освобождается, давая возможность записи другим потокам. Перед чтением и после чтения данных проверяется значение счетчика. Если два полученных значения одинаковы, то во время чтения данных новый акт записи не начинался, Если к тому же оба эти значения четные, то к моменту начала чтения акт записи был закончен (при захвате блокировки на запись значение счетчика становится нечетным, а перед освобождением — снова четным, так как изначальное значение счетчика равно нулю).

Определение секвентной блокировки можно записать следующим образом.

seqlock_t mr_seq_lock = SEQLOCK_UNLOCKED;

Участок кода, который осуществляет запись, может выглядеть следующим образом.

write_seqlock(&mr_seq_lock);

/* блокировка захвачена на запись ... */

write_sequnlock(&mr_seq_lock);

Это выглядит, как работа с обычной спин-блокировкой. Необычность появляется в коде чтения, который несколько отличается от ранее рассмотренных.

unsigned long seq;

do {

 seq = read_seqbegin(&mr_seq_lock);

 /* здесь нужно читать данные ... */

} while (read_seqretry(&mr_seq_lock, seq));

Секвентные блокировки полезны для обеспечения очень быстрого доступа к данным в случае, когда применяется много потоков чтения и мало потоков записи. Кроме того, при использовании этого типа блокировок потоки записи получают более высокий приоритет перед потоками чтения. Блокировка записи всегда будет успешно захвачена, если нет других потоков записи. Потоки чтения никак не влияют на захват блокировки записи, в противоположность тому, что имеет место для спин-блокировок и семафоров чтения-записи. Более того, потоки, которые ожидают на запись, будут вызывать постоянные повторения цикла чтения (как в показанном примере) до тех пор, пока не останется ни одного потока, удерживающего блокировку записи во время чтения данных.