Роберт Лав - Разработка ядра Linux

• Название: Разработка ядра Linux
• Автор: Роберт Лав
• Жанр: Программирование
• Год: 2006
• ISBN: 5-8459-1085-4

В книге детально рассмотрены основные подсистемы и функции ядер Linux серии 2.6, включая особенности построения, реализации и соответствующие программны интерфейсы. Рассмотренные вопросы включают: планирование выполнения процессов, управление временем и таймеры ядра, интерфейс системных вызовов, особенности адресации и управления памятью, страничный кэш, подсистему VFS, механизмы синхронизации, проблемы переносимости и особенности отладки. Автор книги является разработчиком основных подсистем ядра Linux. Ядро рассматривается как с теоретической, так и с прикладной точек зрения, что может привлечь читателей различными интересами и потребностями.

Книга может быть рекомендована как начинающим, так и опытным разработчикам программного обеспечения, а также в качестве дополнительных учебных материалов.

---

• Если работа критична ко времени выполнения, то ее необходимо выполнять в обработчике прерывания.

• Если работа связана с аппаратным обеспечением, то ее следует выполнить в обработчике прерывания.

• Если для выполнения работы необходимо гарантировать, что другое прерывание (обычно с тем же номером) не прервет обработчик, то работу нужно выполнить в обработчике прерывания.

• Для всего остального работу стоит выполнять в обработчике нижней половины.

При написании собственного драйвера устройства есть смысл посмотреть на обработчики прерываний и соответствующие им обработчики нижних половин других драйверов устройств — это может помочь. Принимая решение о разделении работы между обработчиками верхней и нижней половины, следует спросить себя: "Что должно быть в обработчике верхней половины, а что может быть в обработчике нижней половины". В общем случае, чем быстрее выполняется обработчик прерывания, тем лучше.

Когда нужно использовать нижние половины

Часто не просто понять, зачем нужно откладывать работу и когда именно ее нужно откладывать. Вам необходимо ограничить количество работы, которая выполняется в обработчике прерывания, потому что обработчик прерывания выполняется при запрещенной текущей линии прерывания. Хуже того, обработчики, зарегистрированные с указанием флага SA_INTERRUPT, выполняются при всех запрещенных линиях прерываний на локальном процессоре (плюс текущая линия прерывания запрещена глобально). Минимизировать время, в течение которого прерывания запрещены, важно для уменьшения времени реакции и увеличения производительности системы. Если к этому добавить, что обработчики прерываний выполняются асинхронно по отношению к другому коду, и даже по отношению к другим обработчикам прерываний, то становится ясно, что нужно минимизировать время выполнения обработчика прерывания. Решение — отложить некоторую часть работы на более поздний срок.

Но что имеется в виду под более поздним сроком? Важно понять, что позже означает не сейчас. Основной момент в обработке нижних половин — это не отложить работу до определенного момента времени в будущем, а отложить работу до некоторого неопределенного момента времени в будущем, когда система будет не так загружена и все прерывания снова будут разрешены.

Не только в операционной системе Linux, но и в других операционных системах обработка аппаратных прерываний разделяется на две части. Верхняя половина выполняется быстро, когда все или некоторые прерывания запрещены. Нижняя половина (если она реализована) выполняется позже, когда все прерывания разрешены. Это решение позволяет поддерживать малое время реакции системы, благодаря тому что работа при запрещенных прерываниях выполняется в течение возможно малого периода времени.

Многообразие нижних половин

В отличие от обработчиков верхних половин, которые могут быть реализованы только в самих обработчиках прерываний, для реализации обработчиков нижних половин существует несколько механизмов. Эти механизмы представляют собой различные интерфейсы и подсистемы, которые позволяют пользователю реализовать обработку нижних половин. В предыдущей главе мы рассмотрели единственный существующий механизм реализации обработчиков прерываний, а в этой главе рассмотрим несколько методов реализации обработчиков нижних половин. На самом деле за историю операционной системы Linux существовало много механизмов обработки нижних половин. Иногда сбивает с толку то, что эти механизмы имеют очень схожие или очень неудачные названия. Для того чтобы придумывать названия механизмам обработки нижних половин, необходимы "специальные программисты".

В этой главе мы рассмотрим принципы работы и реализацию механизмов обработки нижних половин, которые существуют в ядрах операционной системы Linux серии 2.6. Также будет рассмотрено, как использовать эти механизмы в коде ядра, который вы можете написать. Старые и давно изъятые из употребления механизмы обработки нижних половин представляют собой историческую ценность, поэтому, где это важно, о них также будет рассказано.

В самом начале своего существования операционная система Linux предоставляла единственный механизм для обработки нижних половин, который так и назывался "нижние половины" ("bottom half"). Это название было понятно, так как существовало только одно средство для выполнения отложенной обработки. Соответствующая инфраструктура называлась "BH" и мы ее так дальше и будем назвать, чтобы избежать путаницы с общим термином "bottom half (нижняя половина). Интерфейс BH был очень простым, как и большинство вещей в те старые добрые времена. Он предоставлял статический список из 32 обработчиков нижних половин. Обработчик верхней половины должен был отметить какой из обработчиков нижних половин должен выполняться путем установки соответствующего бита в 32-разрядном целом числе. Выполнение каждого обработчика BH синхронизировалось глобально, т.е. никакие два обработчика не могли выполняться одновременно, даже на разных процессорах. Такой механизм был простым в использовании, хотя и не гибким; простым в реализации, хотя представлял собой узкое место в плане производительности.

Позже разработчики ядра предложили механизм очередей заданий (task queue) — одновременно как средство выполнения отложенной обработки и как замена для механизма BH. В ядре определялось семейство очередей. Каждая очередь содержала связанный список функций, которые должны были выполнять соответствующие действия. Функции, стоящие в очереди, выполнялись в определенные моменты времени, в зависимости от того, в какой очереди они находились. Драйверы могли регистрировать собственные обработчики нижних половин в соответствующих очередях. Этот механизм работал достаточно хорошо, но он был не настолько гибким, чтобы полностью заменить интерфейс BH. Кроме того, он был достаточно "тяжеловесным" для обеспечения высокой производительности критичных к этому систем, таких как сетевая подсистема.

Во время разработки серии ядер 2.3 разработчики ядра предложили механизм отложенных прерываний[34] (softirq) и механизм тасклетов (tasklet).

За исключением решения проблемы совместимости с существующими драйверами, механизмы отложенных прерываний и тасклетов были в состоянии полностью заменить интерфейс BH[35].

Отложенные прерывания — это набор из 32 статически определенных обработчиков нижних половин, которые могут одновременно выполняться на разных процессорах, даже два обработчика одного типа могут выполняться параллельно. Тасклеты — это гибкие, динамически создаваемые обработчики нижних половин, которые являются надстройкой над механизмом отложенных прерываний и имеют ужасное название, смущающее всех[36].

Два различных тасклета могут выполняться параллельно на разных процессорах, но при этом два тасклета одного типа не могут выполняться одновременно. Таким образом, тасклеты — это хороший компромисс между производительностью и простотой использования. В большинстве случаев для обработки нижних половин достаточно использования тасклетов. Обработчики отложенных прерываний являются полезными, когда критична производительность, например, для сетевой подсистемы. Использование механизма отложенных прерываний требует осторожности, потому что два обработчика одного и того же отложенного прерывания могут выполняться одновременно. В дополнение к этому, отложенные прерывания должны быть зарегистрированы статически на этапе компиляции. Тасклеты, наоборот, могут быть зарегистрированы динамически.

Еще больше запутывает ситуацию то, что некоторые люди говорят о всех обработчиках нижних половин как о программных прерываниях, или отложенных прерываниях (software interrupt, или softirq). Другими словами, они называют механизм отложенных прерываний и в общем обработку нижних половин программными прерываниями. На таких людей лучше не обращать внимания, они из той же категории, что и те, которые придумали название "BH" и тасклет.

Во время разработки ядер серии 2.5 механизм BH был в конце концов выброшен, потому что все пользователи этого механизма конвертировали свой код для использования других интерфейсов обработки нижних половин. В дополнение к этому, интерфейс очередей заданий был заменен на новый интерфейс очередей отложенных действий (work queue). Очереди отложенных действий— это простой и в то же время полезный механизм, позволяющий поставить некоторое действие в очередь для выполнения в контексте процесса в более поздний момент времени.

Следовательно, сегодня ядро серии 2.6 предоставляет три механизма обработки нижних половин в ядре: отложенные прерывания, тасклеты и очереди отложенных действий. В ядре также использовались интерфейсы BH и очередей заданий, но сегодня от них осталась только светлая память.