Разработка ядра Linux

Ядро предоставляет интерфейс, который удобным способом позволяет запретить прерывания и захватить блокировку. Использовать его можно следующим образом.

spinlock_t mr_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
unsigned long flags;

spin_lock_irqsave(&mr_lock, flags);

/* критический участок ... */

spin_unlock_irqrestore(&mr_lock, flags);

Подпрограмма spin_lock_irqsave сохраняет текущее состояние системы прерываний, запрещает прерывания и захватывает указанную блокировку. Функция spin_unlock_irqrestore, наоборот, освобождает указанную блокировку и восстанавливает предыдущее состояние системы прерываний. Таким образом, если прерывания были запрещены, показанный код не разрешит их по ошибке. Заметим, что переменная flags передается по значению. Это потому, что указанные функции частично выполнены в виде макросов.

На однопроцессорной машине показанный пример только лишь запретит прерывания, чтобы предотвратить доступ обработчика прерывания к совместно используемым данным, а механизм блокировок скомпилирован не будет. Функции захвата и освобождения блокировки также соответственно запрещают и разрешают преемптивность ядра.

Что необходимо блокировать

Важно, чтобы каждая блокировка была четко связана с тем, что она блокирует. Еще более важно — это защищать данные, а не код. Несмотря на то что во всех примерах этой главы рассматриваются критические участки, в основе этих критических участков лежат данные, которые требуют защиты, а никак не код. Если блокировки просто блокируют участки кода, то такой код труднопонимаем и подвержен состояниям гонок. Необходимо ассоциировать данные с соответствующими блокировками. Например, структура struct foo блокируется с помощью блокировки foo_lock. С данной блокировкой также необходимо ассоциировать некоторые данные. Если к некоторым данным осуществляется доступ, то необходимо гарантировать, что этот доступ будет безопасным. Наиболее часто это означает, что перед тем, как осуществить манипуляции с данными, необходимо захватить соответствующую блокировку и освободить эту блокировку нужно после завершения манипуляций.

Если точно известно, что прерывания разрешены, то нет необходимости восстанавливать предыдущее состояние системы прерываний. Можно просто разрешить прерывания при освобождении блокировки. В этом случае оптимальным будет использование функций spin_lock_irq и spin_unlock_irq.

spinlock_t mr_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock_irq(&mr_lock) ;

/* критический участок ... */

spin_unlock_irq(&mr_lock);

Для любого участка кода очень сложно гарантировать, что прерывания всегда разрешены. В связи с этим не рекомендуется использовать функцию spinlock_irq. Если стоит вопрос об использовании этих функций, то лучше быть точно уверенным, что прерывания запрещены, а не огорчаться, когда найдете, что прерывания разрешены не там, где нужно.

Отладка спин-блокировок

Параметр конфигурации ядра CONFIG_DEBUG_SPINLOCK включает несколько отладочных проверок в коде спин-блокировок. Например, с этим параметром код спин-блокировок будет проверять использование неинициализированных спин-блокировок и освобождение блокировок, которые не были захваченными. При тестировании кода всегда необходимо включать отладку спин-блокировок.

Другие средства работы со спин-блокировками

Функция spin_lock_init используется для инициализации спин-блокировок, которые были созданы динамически (переменная типа spinlock_t, к которой нет прямого доступа, а есть только указатель на нее).

Функция spin_try_lock производит попытку захватить указанную спин-блокировку. Если блокировка находится в состоянии конфликта, то, вместо циклической проверки и ожидания на освобождение блокировки, эта функция возвращает ненулевое значение. Если блокировка была захвачена успешно, то функция возвращает нуль. Аналогично функция spin_is_locked возвращает ненулевое значение, если блокировка в данный момент захвачена. В противном случае возвращается нуль. Эта функция никогда не захватывает блокировку [48] .

48

Использование этих функций может привести к тому, что код становится "грязным". Нет необходимости часто проверять значение спин-блокировок — код или всегда должен захватывать блокировку, или вызываться только, если блокировка захвачена. Однако существуют некоторые ситуации, когда такие функции логично использовать, поэтому эти интерфейсы и предоставляются.

В табл. 9.3 приведен полный список функций работы со спин-блокировками.

Таблица 9.3. Список функций работы со спин-блокировками

Функция	Описание
spin_lock	Захватить указанную блокировку
spin_lock_irq	Запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку
spin_lock_irqsave	Сохранить текущее состояние системы прерываний, запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку
spin_unlock	Освободить указанную блокировку
spin_unlock_irq	Освободить указанную блокировку и разрешить прерывания на локальном процессоре
spin_unlock_irqrestore	Освободить указанную блокировку и восстановить состояние системы прерываний на локальном процессоре в указанное первоначальное значение
spin_lock_init	Инициализировать объект типа spinlock_t в заданной области памяти
spin_trylock	Выполнить попытку захвата указанной блокировки и в случае неудачи возвратить ненулевое значение
spin_is_locked	Возвратить ненулевое значение, если указанная блокировка в данный момент захвачена, и нулевое значение в противном случае

Спин-блокировки и обработчики нижних половин

Как было указано в главе 7, "Обработка нижних половин и отложенные действия", при использовании блокировок в работе с обработчиками нижних половин необходимо принимать некоторые меры предосторожности. Функция spin_lock_bh позволяет захватить указанную блокировку и запретить все обработчики нижних половин. Функция spin_unlock_bh выполняет обратные действия.

Обработчик нижних половин может вытеснять код, который выполняется в контексте процесса, поэтому, если данные совместно используются обработчиком нижней половины и контекстом процесса, в контексте процесса эти данные необходимо защищать путем запрещения обработки нижних половин и захвата блокировки. Аналогично, поскольку обработчик прерывания может вытеснить обработчик нижней половины, необходимо запрещать прерывания и захватывать блокировку.

Вспомним, что два тасклета (tasklet) одного типа не могут выполняться параллельно. Поэтому нет необходимости защищать данные, которые используются только тасклетами одного типа.

Если данные используются тасклетами разных типов, то необходимо использовать обычную спин-блокировку перед тем, как обращаться к таким данным в обработчике нижней половины. В этом случае нет необходимости запрещать обработку нижних половин, так как тасклет никогда не вытесняет другой тасклет, выполняющийся на том же процессоре.

В случае отложенных прерываний (softirq), независимо от того, это отложенные прерывания одного типа или разных, данные, совместно используемые обработчиками отложенных прерываний, необходимо защищать с помощью блокировки. Вспомним, что обработчики отложенных прерываний, даже одного типа, могут выполняться одновременно на разных процессорах системы. Обработчик отложенного прерывания никогда не вытесняет другие обработчики отложенных прерываний, которые выполняются на одном процессоре с ним, поэтому запрещать обработку нижних половин в этом случае не нужно.

Спин-блокировки чтения-записи

Иногда в соответствии с целью использования блокировок их можно разделить два типа — блокировки чтения (reader lock) и блокировки записи (writer lock). Рассмотрим некоторый список, который может обновляться и в котором может выполняться поиск. Когда список обновляется (в него осуществляется запись), никакой другой код не может параллельно осуществлять запись или чтение этого списка. Запись означает исключительный доступ. С другой стороны, если в списке выполняется поиск (чтение информации), важно только, чтобы никто другой не выполнял записи в список. Работа со списком заданий в системе (как обсуждалось в главе 3, "Управление процессами") аналогична только что описанной ситуации. Не удивительно, что список заданий в системе защищен с помощью спин-блокировки чтения- записи (reader-writer spin lock).

Если работа со структурой данных может быть четко разделена на этапы чтения/записи, как в только что рассмотренном случае, то имеет смысл использовать механизмы блокировок с аналогичной семантикой. Для таких ситуаций операционная система Linux предоставляет спин-блокировки чтения-записи. Спин-блокировки чтения-записи обеспечивают два варианта блокировки. Один или больше потоков выполнения, которые одновременно выполняют операции считывания, могут удерживать такую блокировку. Блокировка на запись, наоборот, может удерживаться в любой момент времени только одним потоком, осуществляющим запись, и никаких параллельных считываний не разрешается. Блокировки чтения-записи иногда также называются соответственно shared/exclusive (общая/ исключающая) или concurrent/exclusive (параллельная/исключающая).