Разработка ядра Linux
Шрифт:
Инициализировать блокировку для чтения-записи можно с помощью следующего программного кода.
Следующий код осуществляет считывание.
И наконец, показанный ниже код осуществляет запись.
Обычно считывание и запись информации осуществляются в разных участках кода, как это показано в данном примере.
Заметим, что блокировку, захваченную для чтения, нельзя "повышать" до блокировки, захваченной для записи. В следующем коде
возникнет самоблокировка,
Несколько потоков чтения безопасно могут удерживать одну и ту же блокировку чтения-записи. На самом деле один поток также может безопасно рекурсивно захватывать одну и ту же блокировку для чтения. Это позволяет выполнить полезную и часто используемую оптимизацию. Если в обработчиках прерываний осуществляется только чтение и не выполняется запись, то можно "смешивать" использование блокировок с запрещением прерываний и без запрещения. Для защиты данных при чтении можно использовать функцию
Таблица 9.4. Список функций работы со спин-блокировками чтения-записи
| Функция | Описание |
|---|---|
read_lock | Захватить указанную блокировку на чтение |
read_lock_irq | Запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку на чтение |
read_lock_irqsave | Сохранить состояние системы прерываний на текущем процессоре, запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку на чтение |
read_unlock | Освободить указанную блокировку, захваченную для чтения |
read_unlock_irq | Освободить указанную блокировку, захваченную для чтения, и разрешить прерывания на локальном процессоре |
read_unlock_irqrestore | Освободить указанную блокировку, захваченную для чтения, и восстановить состояние системы прерываний в указанное значение |
write_lock | Захватить заданную блокировку на запись |
write_lock_irq | Запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку на запись |
write_lock_irqsave | Сохранить состояние системы прерываний на текущем процессоре, запретить прерывания на локальном процессоре и захватить указанную блокировку на запись |
write_unlock | Освободить указанную блокировку, захваченную для записи |
write_unlock_irq | Освободить указанную блокировку, захваченную для записи, и разрешить прерывания на локальном процессоре |
write_unlock_irqrestore | Освободить указанную блокировку, захваченную для записи, и восстановить состояние системы прерываний в указанное значение |
write_trylock | Выполнить попытку захватить заданную блокировку на запись и в случае неудачи возвратить ненулевое значение |
rw_lock_init | Инициализировать объект типа rwlock_t в заданной области памяти |
rw_is_locked | Возвратить ненулевое значение, если указанная блокировка захвачена, иначе возвратить нуль |
Еще один факт, который необходимо принимать во внимание при работе с блокировками чтения-записи в операционной системе Linux, — это то, что блокировка на чтение всегда имеет большее преимущество по сравнению с блокировкой на запись.
Если блокировка захвачена на чтение и поток записи ожидает на ее освобождение, то все потоки, которые будут пытаться захватить блокировку на чтение, будут добиваться успеха. Поток записи, который периодически проверяет на освобождение блокировки, не сможет захватить блокировку, пока все потоки чтения эту блокировку не освободят. Поэтому большое количество потоков чтения будет приводить к "подвисанию" ожидающих потоков записи. Это важное обстоятельство всегда нужно помнить при разработке схемы блокировок.Спин-блокировки обеспечивают очень быстрые и простые блокировки. Выполнение постоянных проверок в цикле является оптимальным, когда блокировки захватываются на очень короткое время и код не может переходить в состояние ожидания (например, в обработчиках прерываний). Если же период времени ожидания на освобождение блокировки может быть большим или имеется потенциальная возможность перехода в состояние ожидания при захваченной блокировке, то задача может быть решена с помощью семафоров.
Семафоры
В операционной системе Linux семафоры (semaphore) — это блокировки, которые переводят процессы в состояние ожидания. Когда задание пытается захватить семафор, который уже удерживается, семафор помещает это задание в очередь ожидания (wait queue) и переводит это задание в состояние ожидания (sleep). Когда процессы [49] , которые удерживают семафор, освобождают блокировку, одно из заданий очереди ожидания возвращается к выполнению и может захватить семафор.
49
Как будет показано дальше, несколько процессов могут при необходимости одновременно удерживать один семафор.
Давайте снова возвратимся к аналогии двери и ключа. Когда человек, который хочет открыть дверь, подходит к двери, он может захватить ключ и войти в комнату. Отличие состоит в том, что произойдет, если к двери подойдет другой человек. В этом случае он записывает свое имя в список на двери и ложится поспать.
Когда человек, который находился внутри комнаты, выходит из нее, он проверяет список на двери. Если в списке есть чье-либо имя, то он выбирает первое из имен списка, дает соответствующему человеку пинка, будит его и позволяет войти в комнату. Таким образом, ключ (т.е. семафор) позволяет только одному человеку (т.е. потоку) находиться в комнате (т.е. в критическом разделе) в один момент времени. Если комната занята, то, вместо того чтобы периодически проверять, человек записывает свое имя в список (т.е. в очередь ожидания) и засыпает (т.е. блокируется в очереди ожидания и переходит в приостановленное состояние), что позволяет процессору выполнять некоторый другой код. Такой режим работы позволяет лучше использовать процессор, чем в случае спин-блокировок, так как при этом не тратится процессорное время на выполнение периодических проверок в цикле. Тем не менее использование семафоров, по сравнению со спин-блокировками, связано со значительно большими накладными расходами.
Из такого поведения семафоров, связанного с переводом процессов в состояние ожидания, можно сделать следующие интересные заключения.
• Так как задания, которые конфликтуют при захвате блокировки, переводятся в состояние ожидания и в этом состоянии ждут, пока блокировка не будет освобождена, семафоры хорошо подходят для блокировок, которые могут удерживаться в течение длительного времени.
• С другой стороны, семафоры не оптимальны для блокировок, которые удерживаются в течение очень короткого периода времени, так как накладные затраты на перевод процессов в состояние ожидания могут "перевесить" время, в течение которого удерживается блокировка.
• Так как поток выполнения во время конфликта при захвате блокировки находится в состоянии ожидания, то семафоры можно захватывать только в контексте процесса. Контекст прерывания планировщиком не управляется.
• При удержании семафора (хотя разработчик может и не очень хотеть этого) процесс может переходить в состояние ожидания. Это не может привести к тупиковой ситуации, когда другой процесс попытается захватить блокировку (он просто переходит в состояние ожидания, что в конце концов дает возможность выполняться первому процессу).
• При захвате семафора нельзя удерживать спин-блокировку, поскольку процесс может переходить в состояние ожидания, ожидая на освобождение семафора, а при удержании спин-блокировки в состояние ожидания переходить нельзя.
Эти факты подчеркивают особенности использования семафоров по сравнению со спин-блокировками. В большинстве случаев выбор решения, использовать или не использовать семафоры, прост. Если код должен переходить в состояние ожидания, что очень часто возникает при необходимости синхронизации с пространством пользователя, семафоры — единственное решение. Использовать семафоры всегда проще, даже если в них нет строгой необходимости, так как они предоставляют гибкость, связанную с переходом процессов в состояние ожидания. Если же возникает необходимость выбора между семафорами и спид-блокировками, то решение должно основываться на времени удержания блокировки. В идеале, все блокировки необходимо удерживать, по возможности, в течение наиболее короткого времени. При использовании семафоров, однако, допустимы более длительные периоды удержания блокировок. В дополнение ко всему, семафоры не запрещают преемптивность ядра, и, следовательно, код, который удерживает семафор, может быть вытеснен. Это означает, что семафоры не оказывают вредного влияния на задержки (латентность) планировщика.