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.

---

/* предполагается, что значение переменной foo равно нулю ...*/

if (unlikely(foo)) {

 /* ... */

}

И наоборот, чтобы отметить этот путь выполнения как наиболее вероятный

/* предполагается, что значение переменной foo не равно нулю ...*/

if (likely(foo)) {

 /* ... * /

}

Эти директивы необходимо использовать только в случае, когда направление ветвления с большой вероятностью известно априори или когда необходима оптимизация какой-либо части кода за счет другой части. Важно помнить, что эти директивы дают увеличение производительности, когда направление ветвления предсказано правильно, однако приводят к потере производительности при неправильном предсказании. Наиболее часто директивы unlikely() и likely() используются для проверки ошибок.

Отсутствие защиты памяти

Когда прикладная программа предпринимает незаконную попытку обращения к памяти, ядро может перехватить эту ошибку и аварийно завершить соответствующий процесс. Если ядро предпринимает попытку некорректного обращения к памяти, то результаты могут быть менее контролируемы. Нарушение правил доступа к памяти в режиме ядра приводит к ошибке oops, которая является наиболее часто встречающейся ошибкой ядра. Не стоит говорить, что нельзя обращаться к запрещенным областям памяти, разыменовывать указатели со значением NULL и так далее, однако в ядре ставки значительно выше!

Кроме того, память ядра не использует замещение страниц. Поэтому каждый байт памяти, который использован в ядре, — это еще один байт доступной физической памяти. Это необходимо помнить всякий раз, когда добавляются новые функции ядра.

Нельзя просто использовать вычисления с плавающей точкой

Когда пользовательская программа использует вычисления с плавающей точкой, ядро управляет переходом из режима работы с целыми числами в режим работы с плавающей точкой. Операции, которые ядро должно выполнить для использования инструкций работы с плавающей точкой, зависят от аппаратной платформы.

В отличие от режима задачи, в режиме ядра нет такой роскоши, как прямое использование вычислений с плавающей точкой. Активизация режима вычислений с плавающей точкой в режиме ядра требует сохранения и восстановления регистров устройства поддержки вычислений с плавающей точкой вручную, кроме прочих рутинных операций. Если коротко, то можно посоветовать: не нужно этого делать; никаких вычислений с плавающей точкой в режиме ядра.

Маленький стек фиксированного размера

Пользовательские программы могут "отдохнуть" вместе со своими тоннами статически выделяемых переменных в стеке, включая структуры большого размера и многоэлементные массивы. Такое поведение является законным в режиме задачи, так как область стека пользовательских программ может динамически увеличиваться в размере (разработчики, которые писали программы под старые и не очень интеллектуальные операционные системы, как, например, DOS, могут вспомнить то время, когда даже стек пользовательских программ имел фиксированный размер).

Стек, доступный в режиме ядра, не является ни большим, ни динамически изменяемым, он мал по объему и имеет фиксированный размер. Размер стека зависит от аппаратной платформы. Для платформы x86 размер стека может быть сконфигурирован на этапе компиляции и быть равным 4 или 8 Кбайт. Исторически так сложилось, что размер стека ядра равен двум страницам памяти, что соответствует 8 Кбайт для 32-разрядных аппаратных платформ и 16 Кбайт — для 64-разрядных. Этот размер фиксирован. Каждый процесс получает свою область стека.

Более подробное обсуждение использования стека в режиме ядра смотрите в следующих главах.

Синхронизация и параллелизм

Ядро подвержено состояниям конкуренции за ресурсы (race condition). В отличие от однопоточной пользовательской программы, ряд свойств ядра позволяет осуществлять параллельные обращения к ресурсам общего доступа, и поэтому требуется выполнять синхронизацию для предотвращения состояний конкуренции за ресурсы. В частности, возможны следующие ситуации.

• Ядро Linux поддерживает многопроцессорную обработку. Поэтому, без соответствующей защиты, код ядра может выполняться на одном, двух или большем количестве процессоров и при этом одновременно обращаться к одному ресурсу.

• Прерывания возникают асинхронно по отношению к исполняемому коду. Поэтому, без соответствующей защиты, прерывания могут возникнуть во время обращения к ресурсу общего доступа, и обработчик прерывания может тоже обратиться к этому же ресурсу.

• Ядро Linux является преемптивным. Поэтому, без соответствующей защиты, исполняемый код ядра может быть вытеснен в пользу другого кода ядра, который тоже может обращаться к некоторому общему ресурсу.

Стандартное решение для предотвращения состояния конкуренции за ресурсы (состояния гонок) — это использование спин-блокировок и семафоров.

Более полное обсуждение вопросов синхронизации и параллелизма приведено в следующих главах.

Переносимость — это важно

При разработке пользовательских программ переносимость не всегда является целью, однако операционная система Linux является переносимой и должна оставаться такой. Это означает, что платформо-независимый код, написанный на языке С, должен компилироваться без ошибок и правильно выполняться на большом количестве систем.

Несколько правил, такие как не создавать зависимости от порядка следования байтов, обеспечивать возможность использования кода для 64-битовых систем, не привязываться к размеру страницы памяти или машинного слова и другие — имеют большое значение. Эти вопросы более подробно освещаются в одной из следующих глав.

Резюме

Да, ядро— это действительно нечто иное: отсутствует защита памяти, нет проверенной библиотеки функций языка С, маленький стек, большое дерево исходного кода. Ядро Linux играет по своим правилам и занимается серьезными вещами. Тем не менее, ядро — это всего лишь программа; оно, по сути, не сильно отличается от других обычных программ. Не нужно его бояться.

Понимание того, что ядро не так уж страшно, как кажется, может стать первым шагом к пониманию того, что все имеет свой смысл. Однако чтобы достичь этой утопии, необходимо стараться, читать исходный код, изменять его и не падать духом.

Вводный материал, который был представлен в первой главе, и базовые моменты, которые описаны в текущей, надеюсь, станут хорошим фундаментом для тех знаний, которые будут получены при прочтении всей книги. В следующих разделах будут рассмотрены конкретные подсистемы ядра и принципы их работы.

Глава 3 Управление процессами

Процесс — одно из самых важных абстрактных понятий в Unix-подобных операционных системах[8]. По сути, процесс — это программа, т.е. объектный код, хранящийся на каком-либо носителе информации и находящийся в состоянии исполнения. Однако процесс — это не только исполняемый программный код, который для операционной системы Unix часто называется text section (сегмент текста или сегмент кода). Процессы также включают в себя сегмент данных (data section), содержащий глобальные переменные; набор ресурсов, таких как открытые файлы и ожидающие на обработку сигналы; адресное пространство и один или более потоков выполнения. Процесс — это живой результат выполнения программного кода.

Потоки выполнения, которые часто для сокращения называют просто потоками (thread), представляют собой объекты, выполняющие определенные операции внутри процесса. Каждый поток включает в себя уникальный счетчик команд (program counter), стек выполнения и набор регистров процессора. Ядро планирует выполнение отдельных потоков, а не процессов. В традиционных Unix-подобных операционных системах каждый процесс содержал только один поток. Однако в современных системах многопоточные программы используются очень широко. Как будет показано далее, в операционной системе Linux используется уникальная реализация потоков — между процессами и потоками нет никакой разницы. Поток в операционной системе Linux — это специальный тип процесса.

В современных операционных системах процессы предусматривают наличие двух виртуальных ресурсов: виртуального процессора и виртуальной памяти. Виртуальный процессор создает для процесса иллюзию, что этот процесс монопольно использует всю компьютерную систему, за исключением, может быть, только того, что физическим процессором совместно пользуются десятки других процессов. В главе 4, "Планирование выполнения процессов", эта виртуализация обсуждается более подробно. Виртуальная память предоставляет процессу иллюзию того, что он один располагает всей памятью компьютерной системы. Виртуальной памяти посвящена глава 11, "Управление памятью". Потоки совместно используют одну и ту же виртуальную память, хотя каждый поток получает свой виртуальный процессор.