Разработка ядра Linux

Лав Роберт

Требование	Рекомендуемый тип блокировки
Блокировка с малыми накладными затратами (low overhead)	Спин-блокировки более предпочтительны
Малое время удержания блокировки	Спин-блокировки более предпочтительны
Длительное время удержания блокировки	Семафоры более предпочтительны
Необходимо использовать блокировку в контексте прерывания	Необходима спин-блокировка
Необходимо переходить в состояние ожидания (steep) при захваченной блокировке	Необходимо использовать семафоры

Условные переменные

Условные переменные (conditional variable, completion variable) — простое средство синхронизации между двумя заданиями, которые работают в режиме ядра, когда необходимо, чтобы одно задание послало сигнал другому о том, что произошло некоторое событие. При этом одно задание ожидает на условной переменной, пока другое задание не выполнит некоторую работу. Когда другое задание завершит выполнение своей работы, оно использует условную переменную для того, чтобы возвратить к выполнению все ожидающие на ней задания. Если это кажется похожим на работу семафора, то именно так оно и есть, идея та же. В действительности, условные переменные просто обеспечивают простое решение проблемы, для которой в других ситуациях используются семафоры. Например, в системном вызове

vfork

условная переменная используется для возврата к выполнению родительского процесса при завершении порожденного.

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] .

51

Хотя, может быть, она и не такая страшная, какой ее иногда пытаются представить, вес же некоторые люди считают ее "воплощением дьявола" в ядре.

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