Разработка ядра Linux

Лав Роберт

Передача процессорного времени

Операционная система Linux предоставляет системный вызов

sched_yield

как механизм, благодаря которому процесс может явно передать процессор под управление другим ожидающим процессам. Этот вызов работает путем удаления процесса из активного массива приоритетов (где он в данный момент находится, потому что процесс выполняется) с последующим помещением этого процесса в истекший массив. Получаемый аффект состоит не только в том, что процесс вытесняется и становится последним в списке заданий с соответствующим приоритетом, а также в том, что помещение процесса в истекший массив гарантирует, что этот процесс не будет выполняться некоторое время. Так как задачи реального времени никогда не могут быть помещены в истекший массив, они составляют специальный случай. Поэтому они только перемещаются в конец списка заданий с таким же значением приоритета (и не помещаются в истекший массив). В более ранних

версиях ОС. Linux семантика вызова

sched_yield

была несколько иной. В лучшем случае задание только лишь перемещалось в конец списка заданий с данным приоритетом. Сегодня для пользовательских программ и даже для потоков пространства ядра должна быть полная уверенность в том, что действительно необходимо отказаться от использования процессора, перед тем как ввязывать функцию

sched_yield

.

В коде ядра, для удобства, можно вызывать функцию

yield

, которая проверяет, что состояние задачи равно

TASK_RUNNING

, а после этого вызывает функцию

sched_yield

. Пользовательские программы должны использовать системный вызов

sched_yield

.

В завершение о планировщике

Планировщик выполнения процессов является важной частью ядра, так как выполнение процессов (по крайней мере, для большинства из нас) — это основное использование компьютера. Тем не менее, удовлетворение всем требованиям, которые предъявляются к планировщику — не тривиальная задача. Большое количество готовых к выполнению процессов, требования масштабируемости, компромисс между производительностью и временем реакции, а также требования для различных типов загрузки системы приводят к тому, что тяжело найти алгоритм, который подходит для всех случаев. Несмотря на это, новый планировщик процессов ядра Linux приближается к тому, чтобы удовлетворить всем этим требованиям и обеспечить оптимальное решение для всех случаев, включая отличную масштабируемость и привлекательную реализацию.

Проблемы, которые остались, включают возможность точной настройки (или даже полную замену) алгоритма оценки степени интерактивности задания, который приносит много пользы, когда работает правильно, и приносит много неудобств, когда выполняет предсказания неверно. Работа над альтернативными реализациями продолжается. Когда-нибудь мы увидим новую реализацию в основном ядре.

Улучшение поведения планировщика для NUMA систем (систем с неоднородным доступом к памяти) становится все более актуальной задачей, так как количество машин на основе NUMA-платформ возрастает. Поддержка доменов планирования (scheduler domain) — абстракция, которая позволяет описать топологию процессов; она была включена в ядро 2.6 в одной из первых версий.

Эта глава посвящена теории планирования процессов, а также алгоритмам и специфической реализации планировщика ядра Linux. В следующей главе будет рассмотрен основной интерфейс, который предоставляется ядром для выполняющихся процессов, — системные вызовы.

Глава 5

Системные вызовы

Ядро операционной системы предоставляет набор интерфейсов, благодаря которым процессы, работающие в пространстве пользователя, могут взаимодействовать с системой. Эти интерфейсы предоставляют пользовательским программам доступ к аппаратному обеспечению и другим ресурсам операционной системы. Интерфейсы работают как посыльные между прикладными программами и ядром, при этом пользовательские программы выдвигают различные запросы, а ядро выполняет их (или приказывает убираться подальше). Тот факт, что такие интерфейсы существуют, а также то, что прикладные программы не имеют права непосредственно делать все, что им заблагорассудится, является ключевым моментом для обеспечения стабильности системы, а также позволяет избежать крупных беспорядков.

Системные вызовы являются прослойкой между аппаратурой и процессами, работающими в пространстве пользователя. Эта прослойка служит для трех главных целей. Во-первых, она обеспечивает абстрактный интерфейс между аппаратурой и пространством пользователя. Например, при записи или чтении данных из файла прикладным программам нет дела до типа жесткого диска, до среды, носителя информации, и даже до типа файловой системы, на которой находится файл. Во-вторых, системные вызовы гарантируют безопасность и стабильность системы. Так как ядро работает посредником между ресурсами системы и пространством пользователя, оно может принимать решение о предоставлении доступа в соответствии с правами пользователей и другими критериями. Например, это позволяет предотвратить возможность неправильного использования аппаратных ресурсов программами, воровство каких-либо ресурсов у других программ, а также возможность нанесения вреда системе. И наконец, один общий слой между пространством пользователя и остальной системой позволяет осуществить виртуальное представление процессов, как обсуждается в главе 3, "Управление процессами".

Если

бы приложения имели свободный доступ ко всем ресурсам системы без помощи ядра, то было бы почти невозможно реализовать многозадачность и виртуальную память. В операционной системе Linux системные вызовы являются единственным средством, благодаря которому пользовательские программы могут связываться с ядром; они являются единственной законной точкой входа в ядро. Другие интерфейсы ядра, такие как файлы устройств или файлы на файловой системе

/proc

, в конечном счете сводятся к обращению через системные вызовы.

Интересно, что в ОС Linux реализовано значительно меньше системных вызовов, чем во многих других операционных системах [23] .

В этой главе рассказывается о роли и реализации системных вызовов в операционной системе Linux.

API, POSIX и библиотека С

Обычно прикладные программы не разрабатываются с непосредственным использованием системных вызовов, при этом используются программные интерфейсы приложений (Application Programing Interface, API). Это является важным, так как в таком случае нет необходимости в корреляции между интерфейсами, которые используют приложения, и интерфейсами, которые предоставляет ядро. Различные API определяют набор программных интерфейсов, которые используются приложениями. Эти интерфейсы могут быть реализованы с помощью одного системного вызова, нескольких системных вызовов, а также вообще без использования системных вызовов. В действительности, может существовать один и тот же программный интерфейс приложений для различных операционных систем, в то время как реализация этих API может для разных ОС существенно отличаться.

23

Для аппаратной платформы x86 существует около 250 системных вызовов (для каждой аппаратной платформы разрешается определять свои уникальные системные вызовы). Хотя не для всех операционных систем опубликованы действительные системные вызовы, но по оценкам для некоторых операционных систем таких вызовов более тысячи.

Один из наиболее популярных программных интерфейсов приложений в мире Unix-подобных систем базируется на стандарте POSIX. Технически стандарт POSIX включает в себя набор стандартов IEEE [24] , целью которого является обеспечение переносимого стандарта операционной системы, приблизительно базирующегося на ОС Unix. ОС Linux соответствует стандарту POSIX.

Стандарт POSIX является хорошим примером соотношения между интерфейсом API и системными вызовами. Для большинства Unix-подобных операционных систем вызовы интерфейса API, определенные в стандарте POSIX, сильно коррелируют с системными вызовами. Конечно, стандарт POSIX создавался для того, чтобы сделать те интерфейсы, которые предоставляли ранние версии ОС Unix, похожими между собой. С другой стороны, некоторые операционные системы, далекие от OS Unix, такие как Windows NT, предоставляют библиотеки, совместимые со стандартом POSIX.

24

IEEE, eye-triple-E (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, Institute of Electrical and Electronics Engineers) является бесприбыльной профессиональной ассоциацией, действующей во многих технических областях и отвечающей за многие важные стандарты, такие как стандарт POSIX. Больше информации доступно по адресу:

http://www.ieee.org

.

Частично интерфейс к системным вызовам в операционной системе Linux, так же как и в большинстве Unix-систем, обеспечивается библиотекой функций на языке С. Библиотека С реализует главный программный интерфейс приложений для Unix-систем, что включает стандартную библиотеку языка программирования С и интерфейс системных вызовов. Библиотека С используется всеми программами, написанными на языке программирования С, а также, в связи со свойствами языка С, может быть легко использована для программ, написанных на других языках программирования.

Рис. 5.1. Взаимоотношения между приложением, библиотекой С и ядром на примере вызова функции

printf

Дополнительно библиотека функций С также представляет большую часть API-стандарта POSIX.

С точки зрения прикладного программиста, системные вызовы не существенны: все, с чем работает программист, — это интерфейс API. С другой стороны, ядро имеет отношение только к системным вызовам: все, что делают библиотечные вызовы и пользовательские программы с системными вызовами, — это для ядра не существенно. Тем не менее с точки зрения ядра все-таки важно помнить о потенциальных возможностях использования системного вызова для того, чтобы по возможности поддерживать универсальность и гибкость системных вызовов.