Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Средства запрещения преемптивности

Так как ядро является вытесняемым, процесс, работающий в режиме ядра, может прекратить выполнение в любой момент, чтобы позволить выполняться более высокоприоритетному процессу. Это означает, что новое задание может начать выполняться в том же критическом участке, в котором выполнялось вытесненное задание. Для того чтобы предотвратить такую возможность, код, который отвечает за преемптивность ядра, использует спин-блокировки в качестве маркеров, чтобы отмечать участки "непреемптивности". Если спин-блокировка захвачена, то ядро является невытесняемым. Так как проблемы, связанные с параллелизмом, в случае SMP и преемптивного ядра одинаковы, то, если ядро уже является безопасным для SMP-обработки, такое простое дополнение позволяет также сделать ядро безопасным и при вытеснении.

Будем надеяться, что это действительно так. На самом деле возникают некоторые ситуации, в которых нет необходимости использовать спин-блокировки, но нужно запрещать преемптивность ядра. Наиболее часто ситуация такого рода возникает из-за данных, привязанных к определенным процессорам (per-processor data). Если используются данные, уникальные для каждого процессора, то может быть необязательным защищать их с помощью спин-блокировок, потому что только один процессор может получать доступ к этим данным. Если никакая спин-блокировка не захвачена и ядро является преемптивным, то появляется возможность доступа к тем же переменным для вновь запланированного задания, как показано в следующем примере.

задание А манипулирует переменной foo

задание А вытесняется

задание В планируется на выполнение

задание В манипулирует переменной foo

задание В завершается

задание А планируется на выполнение

задание А манипулирует переменной foo

Следовательно, даже для однопроцессорного компьютера к некоторой переменной может псевдопараллельно обращаться несколько процессов. В обычной ситуации для такой переменной требуется спин-блокировка (для защиты при истинном параллелизме на многопроцессорной машине). Если эта переменная связана с одним процессором, то для нее не требуется блокировка.

Для решения указанной проблемы преемптивность ядра можно запретить с помощью функции preempt_disable(). Этот вызов может быть вложенным, т.е. функцию можно вызывать много раз подряд. Для каждого такого вызова требуется соответствующий вызов функции preempt_enable(). Последний вызов функции preempt_enable() разрешает преемптивность, как показано в следующем примере.

preempt_disable();

/* преемптивность запрещена ... */

preempt_enable();

Счетчик преемптивности текущего процесса содержит значение, равное количеству захваченных этим процессом блокировок плюс количество вызовов функции preempt_disable(). Если значение этого счетчика равно нулю, то ядро является вытесняемым. Если значение этого счетчика больше или равно единице, то ядро не вытесняемое. Данный счетчик невероятно полезен для отладки атомарных операций совместно с переходами в состояние ожидания. Функция preempt_count() возвращает значение данного счетчика. В табл. 9.9 показан полный список функций управления преемптивностью.

Таблица 9.9. Функции управления преемптивностью ядра

Функция Описание preempt_disable() Запретить вытеснение кода ядра preempt_enable() Разрешить вытеснение кода ядра preempt_enable_no_resched() Разрешить вытеснение кода ядра, но не перепланировать выполнение процесса preempt count() Возвратить значение счетчика преемптивности

Более полное решение задачи работы с данными, связанными с определенным процессором, — это получение номера процессора (который используется в качестве индекса для доступа к данным, связанным с определенным процессором) с помощью функции get_cpu(). Эта функция запрещает преемптивность ядра перед тем, как возвратить номер текущего процессора.

int cpu = get_cpu();

/* работаем с данными, связанными с текущим процессором ... */

/* работа закончена, снова разрешаем вытеснение кода ядра */

put_cpu();

Барьеры и порядок выполнения

В случае, когда необходимо иметь дело с синхронизацией между разными процессорами или разными аппаратными устройствами, иногда возникает требование, чтобы чтение памяти (load) или запись в память (save) выполнялись в том же порядке, как это указано в исходном программном коде. При работе с аппаратными устройствами часто необходимо, чтобы некоторая указанная операция чтения была выполнена перед другими операциями чтения или записи. В дополнение к этому, на симметричной многопроцессорной системе может оказаться необходимым, чтобы операции записи выполнялись строго в том порядке, как это указано в исходном программном коде (обычно для того, чтобы гарантировать, что последовательные операции чтения получают данные в том же порядке). Эти проблемы усложняются тем, что как компилятор, так и процессор могут менять порядок операций чтения и записи[52] для повышения производительности. К счастью, все процессоры, которые переопределяют порядок операций чтения или записи предоставляют машинные инструкции, которые требуют выполнения операций чтения-записи памяти в указанном порядке. Также существует возможность дать инструкцию компилятору, что нельзя изменять порядок выполнения операций при переходе через определенную точку программы. Эти инструкции называются барьерами (barrier).

Рассмотрим следующий код.

а = 1;

b = 2;

На некоторых процессорах запись нового значения в область памяти, занимаемую переменной b, может выполниться до того, как будет записано новое значение в область памяти переменной а. Компилятор может выполнить такую перестановку статически и внести в файл объектного кода, что значение переменной b должно быть установлено перед переменной a. Процессор может изменить порядок выполнения динамически путем предварительной выборки и планирования выполнения внешне вроде бы независимых инструкций для повышения производительности. В большинстве случаев такая перестановка операций будет оптимальной, так как между переменными a и b нет никакой зависимости. Тем не менее иногда программисту все-таки виднее.

Хотя в предыдущем примере и может быть изменен порядок выполнения, ни процессор, ни компилятор никогда не будут менять порядок выполнения следующего кода, где переменные а и b являются глобальными.

а = 1;

b = а;

Это происходит потому, что в последнем случае четко видно зависимость между переменными a и b. Однако ни компилятор, ни процессор не имеют никакой информации о коде, который выполняется в других контекстах. Часто важно, чтобы результаты записи в память "виделись" в нужном порядке другим кодом, который выполняется за пределами нашей досягаемости. Такая ситуация часто имеет место при работе с аппаратными устройствами, а также возникает на многопроцессорных машинах.

Функция rmb() позволяет установить барьер чтения памяти (read memory barrier). Она гарантирует, что никакие операции чтения памяти, которые выполняются перед вызовом функции rmb(), не будут переставлены местами с операциями, которые выполняются после этого вызова. Иными словами, все операции чтения, которые указаны до этого вызова, будут выполнены перед этим вызовом, а все операции чтения, которые указаны после этого вызова никогда не будут выполняться перед ним.

Функция wmb() позволяет установить барьер записи памяти (write barrier). Она работает так же, как и функция rmb(), но не с операциями чтения, а с операциями записи — гарантируется, что операции записи, которые находятся по разные стороны барьера, никогда не будут переставлены местами друг с другом.

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.