Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Функция mb() позволяет создать барьер на чтение и запись. Никакие операции чтения и записи, которые указаны по разные стороны вызова функции mb(), не будут переставлены местами друг с другом. Эта функция предоставляется пользователю, так как существует машинная инструкция (часто та же инструкция, что используется вызовом rmb()), которая позволяет установить барьер на чтение и запись.

Вариант функции rmb() — read_barrier_depends() — обеспечивает создание барьера чтения, но только для тех операций чтения, от которых зависят следующие, за ними операции чтения. Гарантируется, что все операции чтения, которые указаны перед барьером выполнятся перед теми операциями чтения, которые находятся после барьера и зависят от операций чтения, идущих перед барьером. Все понятно? В общем, эта функция позволяет создать барьер чтения, так же как и функция rmb(), но этот барьер будет установлен только для некоторых операций чтения — тех, которые зависят друг от друга.

Для некоторых аппаратных платформ функция read_barrier_depends() выполняется значительно быстрее, чем функция rmb(), так как для этих платформ функция read_barrier_depends() просто не нужна и вместо нее выполняется инструкция noop (нет операции).

Рассмотрим пример использования функций mb() и rmb(). Первоначальное значение переменной а равно 1, а переменной b равно 2.

Поток 1  Поток 2

а = 3;   -

mb();    -

b=4;     c=b;

-        rmb();

-        d=a;

Без использования барьеров памяти для некоторых процессоров возможна ситуация, в которой после выполнения этих фрагментов кода переменной с присвоится новое, значение переменной b, в то время как переменной d присвоится старое значение переменной а. Например, переменная с может стать равной 4 (что мы и хотим), а переменная d может остаться равной 1 (чего мы не хотим). Использование функции mb() позволяет гарантировать, что переменные a и b записываются в указанном порядке, а функция rmb() гарантирует, что чтение переменных b и а будет выполнено в указанном порядке.

Такое изменение порядка выполнения операций может возникнуть из-за того, что современные процессоры обрабатывают и передают на выполнение инструкции в измененном порядке для того, чтобы оптимизировать использование конвейеров. Это может привести к тому, что инструкции чтения переменных b и а выполнятся не в том порядке. Функции rmb() и wmb() соответствуют инструкциям, которые заставляют процессор выполнить все незаконченные операции чтения и записи перед тем, как продолжить работу далее.

Рассмотрим простой пример случая, когда можно использовать функцию read_barrier_depends() вместо функции rmb(). В этом примере изначально переменная а равна 1, b — 2, а p — &b.

Поток 1  Поток 2

а=3;    -

mb();   -

p=&а;   pp=p;

-       read_barrier_depends();

-       b=*pp;

Снова без использования барьеров памяти появляется возможность того, что переменной b будет присвоено значение *pp до того, как переменной pp будет присвоено значение переменной p. Функция read_barrier_depends() обеспечивает достаточный барьер, так как считывание значения *pp зависит от считывания переменной p. Здесь также будет достаточно использовать функцию rmb(), но поскольку операции чтения зависимы между собой, то можно использовать потенциально более быструю функцию read_barrier_depends(). Заметим, что в обоих случаях требуется использовать функцию mb() для того, чтобы гарантировать необходимый порядок выполнения операций чтения-записи в потоке 1.

Макросы smp_rmb(), smp_wmb(), smp_mb() и smpread_barrier_depends() позволяют выполнить полезную оптимизацию. Для SMP-ядра они определены как обычные барьеры памяти, а для ядра, рассчитанного на однопроцессорную машину, — только как барьер компилятора. Эти SMP-варианты барьеров можно использовать, когда ограничения на порядок выполнения операций являются специфичными для SMP-систем.

Функция barrier() предотвращает возможность оптимизации компилятором операций считывания и записи данных, если эти операции находятся по разные стороны от вызова данной функции (т.е. запрещает изменение порядка операций). Компилятор не изменяет порядок операций записи и считывания в случаях, когда это может повлиять на правильность выполнения кода, написанного на языке С, или на существующие зависимости между данными. Однако у компилятора нет информации о событиях, которые могут произойти вне текущего контекста. Например, компилятор не может иметь информацию о прерываниях, в контексте которых может выполняться считывание данных, которые в данный момент записываются. Например, по этой причине может оказаться необходимым гарантировать, что операция записи выполнится перед операцией считывания. Указанные ранее барьеры памяти работают и как барьеры компилятора, но барьер компилятора значительно быстрее, чем барьер памяти (практически не влияет на производительность). Использование барьера компилятора на практике является опциональным, так как он просто предотвращает возможность того, что компилятор что-либо изменит.

В табл. 9.10 приведен полный список функций установки барьеров памяти и компилятора, которые доступны для разных аппаратных платформ, поддерживаемых ядром Linux.

Таблица 9.10. Средства установки барьеров компилятора и памяти

Барьер Описание rmb() Предотвращает изменение порядка выполнения операций чтения данных из памяти при переходе через барьер read_barrier_depends() Предотвращает изменение порядка выполнения операций чтения данных из памяти при переходе через барьер, но только для операций чтения, которые зависимы друг от друга wmb() Предотвращает изменение порядка выполнения операций записи данных в память при переходе через барьер mb() Предотвращает изменение порядка выполнения операций чтения и записи данных при переходе через барьер smp_rmb() Для SMP-ядер эквивалентно функции rmb(), а для ядер, рассчитанных на однопроцессорные машины, эквивалентно функции barrier() smp_read_barrier_depends() Для SMP-ядер эквивалентно функции read_barrier_depends(), а для ядер, рассчитанных на однопроцессорные машины, эквивалентно функции barrier() smp_wmb() Для SMP-ядер эквивалентно функции wmb(), а для ядер, рассчитанных на однопроцессорные машины, эквивалентно функции barrier() smp_mb() Для SMP-ядер эквивалентно функции mb(), а для ядер, рассчитанных на однопроцессорные машины, эквивалентно функции barrier() barrier() Предотвращает оптимизации компилятора по чтению и записи данных при переходе через барьер

Следует заметить, что эффекты установки барьеров могут быть разными для разных аппаратных платформ. Например, если машина не изменяет порядок операций записи (как в случае набора микросхем Intel x86), то функция wmb() не выполняет никаких действий. Можно использовать соответствующий барьер памяти для самой плохой ситуации (т.е. для процессора с самым плохим порядком выполнения), и ваш код будет скомпилирован оптимально для вашей аппаратной платформы.

Резюмирование по синхронизации

В этой главе было рассказано о том, как применять на практике понятия, описанные в предыдущей главе, чтобы лучше разобраться с функциями ядра, которые помогают осуществить синхронизацию и параллелизм. Вначале были рассмотрены самые простые методы, которые позволяют гарантировать сихронизацию, — атомарные операции. Далее были описаны спин-блокировки — наиболее часто используемые типы блокировок в ядре, которые построены на основе периодической проверки в цикле условия освобождения блокировки и позволяют гарантировать, что доступ к ресурсу получит только один поток выполнения. После этого были рассмотрены семафоры — блокировки, которые переводят вызывающий процесс в состояние ожидания, а также более специализированные типы элементов синхронизации — условные переменные и секвентные блокировки. Мы получили удовольствие от блокировки BKL, рассмотрели методы запрещения вытеснения кода ядра и коснулись барьеров. Диапазон большой.