Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Какой способ выделения памяти необходимо использовать

Если необходимы смежные страницы физической памяти, то нужно использовать один из низкоуровневых интерфейсов выделения памяти, или функцию kmalloc(). Это стандартный способ выделения памяти в ядре, и, скорее всего, в большинстве случаев следует использовать именно его. Необходимо вспомнить, что два наиболее часто встречающихся флага, которые передаются этой функции, это флаги GFP_ATOMIC и GFP_KERNEL. Для высокоприоритетных операций выделения памяти, которые не переводят процесс в состояние ожидания, необходимо указывать флаг GFP_ATOMIC. Это обязательно для обработчиков прерываний и других случаев, когда нельзя переходить в состояние ожидания. В коде, который может переходить в состояние ожидания, как, например код, выполняющийся в контексте процесса и не удерживающий спин-блокировку, необходимо использовать флаг GFP_KERNEL. Такой флаг указывает, что должна выполняться операция выделения памяти, которая при необходимости может перейти в состояние ожидания для получения необходимой памяти.

Если есть необходимость выделить страницы верхней памяти, то следует использовать функцию alloc_pages(). Функция alloc_pages() возвращает структуру struct page, а не логический адрес. Поскольку страницы верхней памяти могут не отображаться в адресное пространство ядра, единственный способ доступа к этой памяти — через структуру struct page. Для получения "настоящего" указателя на область памяти необходимо использовать функцию kmap(), которая позволяет отобразить верхнюю память в логическое адресное пространство ядра.

Если нет необходимости в физически смежных страницах памяти, а необходима только виртуально непрерывная область памяти, то следует использовать функцию vmalloc() (также следует помнить о небольшой потере производительности при использовании функции vmalloc() по сравнению с функцией kmalloc()). Функция vmalloc() выделяет область памяти, которая содержит только виртуально смежные страницы, но не обязательно физически смежные. Это выполняется почти так же, как и в программах пользователя путем отображения физически несмежных участков памяти в логически непрерывную область памяти.

Если необходимо создавать и освобождать много больших структур данных, то следует рассмотреть возможность построения слябового кэша. Уровень слябового распределения памяти позволяет поддерживать кэш объектов (список свободных объектов), уникальный для каждого процессора, который может значительно улучшить производительность операций выделения и освобождения объектов. Вместо того чтобы часто выделять и освобождать память, слябовый распределитель сохраняет кэш уже выделенных объектов. При необходимости получения нового участка памяти для хранения структуры данных, уровню слябового распределения часто нет необходимости выделять новые страницы памяти, вместо этого можно просто возвращать объект из кэша.

Глава 12

Виртуальная файловая система

Виртуальная файловая система (Virtual File System), иногда называемая виртуальным файловым коммутатором (Virtual File Switch) или просто VFS, — это подсистема ядра, которая реализует интерфейс пользовательских программ к файловой системе. Все файловые системы зависят от подсистемы VFS, что позволяет не только сосуществовать разным файловым системам, но и совместно функционировать. Это также дает возможность использовать стандартные системные вызовы для чтения и записи данных на различные файловые системы, которые находятся на различных физических носителях, как показано на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Подсистема VFS в действии: использование команды cp(1) для копирования данных с жесткого диска, на котором монтируется файловая система, ext3, на гибкий диск, на котором монтируется файловая система ext2

Общий интерфейс к файловым системам

Подсистема VFS — это связующее звено, которое позволяет таким системным вызовам, как open(), read() и write(), работать независимо от файловой системы и физической среды носителя информации. Сегодня это может не впечатлять, поскольку такая возможность принимается как должное. Тем не менее сделать так, чтобы общие системные вызовы работали для всех поддерживаемых файловых систем и физических сред хранения данных, — задача не тривиальная. Более того, эти системные вызовы позволяют выполнять операции между различными файловыми системами и различными физическими носителями — мы можем копировать и перемещать данные с одной файловой системы на другую с помощью стандартных системных вызовов. В старых операционных системах (например, DOS) таких возможностей не было. Любые операции доступа к "неродным" файловым системам требовали использования специальных утилит. Сейчас такие возможности существуют, потому что все современные операционные системы, включая Linux, абстрагируют доступ к файловым системам с помощью виртуального интерфейса, который дает возможность совместной работы с данными и обобщенного доступа к данным. В операционной системе Linux может появиться поддержка новых типов файловых систем или новых физических средств хранения данных, при этом нет необходимости переписывать или перекомпилировать существующие программы.

Уровень обобщенной файловой системы

Общий интерфейс для всех типов файловых систем возможен только благодаря тому, что в ядре реализован обобщающий уровень, который скрывает низкоуровневый интерфейс файловых систем. Данный обобщающий уровень позволяет операционной системе Linux поддерживать различные файловые системы, даже если эти файловые системы существенно отличаются друг от друга своими функциями и особенностями работы. Это в свою очередь становится возможным благодаря тому, что подсистема VFS реализует общую файловую модель, которая в состоянии представить общие функции и особенности работы потенциально возможных файловых систем. Конечно, эта модель имеет уклон в сторону файловых систем в стиле Unix (что представляют собой файловые системы в стиле Unix, будет рассказано в следующем разделе). Несмотря на это в ОС Linux поддерживается довольно большой диапазон различных файловых систем.

Обобщенный уровень работает путем определения базовых интерфейсов и структур данных, которые нужны для поддержки всех файловых систем. Код поддержки каждой файловой системы должен формировать все концепции своей работы в соответствии с шаблонными требованиями подсистемы VFS, например "так открываем файл", а "так представляем каталог". Код файловой системы скрывает все детали реализации. По отношению к уровню VFS и остальным частям ядра все файловые системы выглядят одинаково, т.е. все файловые системы начинают поддерживать такие объекты, как файлы и каталоги, и такие операции, как создание и удаление файла.

В результате получается общий уровень абстракции, который позволяет ядру легко и просто поддерживать множество типов файловых систем. Код файловых систем программируется таким образом, чтобы поддерживать общие интерфейсы и структуры данных, которые нужны для работы с виртуальной файловой системой. В свою очередь, ядро легко может работать со всеми файловыми системами, и соответственно, экспортируемый ядром интерфейс пользователя также позволяет аналогично работать со всеми файловыми системами.

В ядре нет необходимости поддерживать низкоуровневые детали реализации файловых систем нигде, кроме кода самих файловых систем. Например, рассмотрим следующую простую программу, работающую в пространстве пользователя.

write(f, &buf, len);

Этот системный вызов записывает len байт из области памяти по адресу &buf в файл, представленный с помощью дескриптора f, начиная с текущей позиции файла. Этот системный вызов вначале обрабатывается общей функцией ядра sys_write(), которая определяет функцию записи в файл для той файловой системы, на которой находится файл, представленный дескриптором f. Далее общий системный вызов вызывает найденную функцию, которая является частью реализации файловой системы и служит для записи данных на физический носитель (или для других действий, которые файловая система выполняет при записи файла). На рис. 12.2 показана диаграмма выполнения операции записи, начиная от пользовательской функции write() и заканчивая поступлением данных на физический носитель. Далее в этой главе будет показано, как подсистема VFS позволяет достичь необходимой абстракции и какие для этого обеспечиваются интерфейсы.

Рис. 12.2. Схема прохождения данных из пространства пользователя, где вызывается функция write(), через общий системный вызов VFS, к специфическому методу записи файловой системы и, наконец, поступление на физический носитель