Разработка ядра Linux

Лав Роберт

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.

Вооружённые арсеналом методов синхронизации из данной главы теперь вы сможете писать код ядра, который защищён от состояний конкуренции за ресурсы и позволяет обеспечить необходимую синжронизацию с помощью самого подходящего для этого инструментария.

Глава 10

Таймеры

и управление временем

Отслеживание хода времени очень важно для ядра. Большое количество функций, которые выполняет ядро, управляются временем (time driven), в отличие от тех функций, которые выполняются по событиям [53] (event driven). Некоторые из этих функций выполняются периодически, как, например, балансировка очередей выполнения планировщика или обновление содержимого экрана. Такие функции вызываются в соответствии с постоянным планом, например 100 раз в секунду. Другие функции, такие как отложенные дисковые операции ввода-вывода, ядро планирует на выполнение в некоторый относительный момент времени в будущем. Например, ядро может запланировать работу на выполнение в момент времени, который наступит позже текущего на 500 миллисекунд. Наконец, ядро должно вычислять время работы системы (uptime), а также текущую дату и время.

53

Если быть точными, то функции, которые управляются временем, также управляются и событиями. В этом случае событие соответствует ходу времени. В этой главе будут рассмотрены, в основном, события, управляемые временем,так как они встречаются очень часто и являются важными для ядра.

Следует обратить внимание на разницу между относительным и абсолютным временем. Планирование выполнения некоторой работы через 5 секунд в будущем не требует учета абсолютного времени, а только относительного (например, через пять секунд от текущего момента времени). В рассмотренной ситуации расчет текущей даты и времени требует от ядра не только учета хода времени, но и абсолютного измерения времени. Обе концепции являются важными для управления временем.

Также следует обратить внимание на отличия между событиями, которые возникают периодически, и событиями, которые ядро планирует на выполнение в некоторый фиксированный момент времени в будущем. События, которые возникают периодически, скажем каждые 10 миллисекунд, управляются системным, таймером. Системный таймер — это программируемое аппаратное устройство, которое генерирует аппаратное прерывание с фиксированной частотой. Обработчик этого прерывания, который называется прерыванием таймера (timer interrupt), обновляет значение системного времени и выполняет периодические действия. Системный таймер и его прерывание являются важными для работы операционной системы Linux, и в текущей главе им уделяется главное внимание.

Кроме того, в этой главе будут рассмотрены динамические таймеры (dynamic timers) — средства, позволяющие планировать события, которые выполняются один раз, после того как истек некоторый интервал времени. Например, драйвер накопителя на гибких магнитных дисках использует таймер, чтобы остановить двигатель дисковода, если дисковод неактивен в течение некоторого периода времени. В ядре можно динамически создавать и ликвидировать таймеры. В данной главе рассказывается о реализации динамических таймеров, а также об интерфейсе, который доступен для использования в программном коде.

Информация о времени в ядре

Концепция времени для компьютера является несколько неопределенной. В действительности, для того чтобы получать информацию о времени и управлять системным временем, ядро должно взаимодействовать с системным аппаратным обеспечением. Аппаратное обеспечение предоставляет системный таймер, который используется ядром для измерения времени. Системный таймер работает от электронного эталона времени, такого как цифровые электронные часы или тактовый генератор процессора. Интервал времени системного таймера периодически истекает (еще говорят таймер срабатывает — hitting, popping) с определенной запрограммированной частотой. Эта частота называется частотой импульсов таймера, (tick rate). Когда срабатывает системный таймер, он генерирует прерывание, которое ядро обрабатывает с помощью специального обработчика прерывания.

Так как в ядре есть информация о запрограммированной частоте следования импульсов таймера, ядро может вычислить интервал времени между двумя успешными прерываниями таймера. Этот интервал называется временной отметкой или импульсом таймера (tick) и в секундах равен единице, деленной на частоту импульсов. Как будет показано дальше, именно таким способом ядро отслеживает абсолютное время (wall time) и время работы системы (uptime). Абсолютное время— это фактическое время дня, которое наиболее важно для пользовательских приложений. Ядро отслеживает это время просто потому, что оно контролирует прерывание таймера. В ядре есть семейство системных вызовов, которое позволяет пользовательским приложениям получать информацию о дате и времени дня. Это необходимо, так как многие программы должны иметь информацию о ходе времени. Разница между двумя значениями времени работы системы — "сейчас" и "позже" — это простой способ измерения относительности событий.