Разработка ядра Linux

Лав Роберт

В связи с недостатками этого типа обработчиков нижних половин, разработчики ядра предложили механизм очередей заданий (task queue), чтобы заменить механизм нижних половин. Очереди заданий так и не смогли справиться с этой задачей, хотя и завоевали расположение большого количества пользователей. При разработке серии ядер 2.3 были предложены механизмы отложенных прерываний (softirq) и механизм тасклетов (tasklet), для того чтобы положить конец механизму BH. Механизм BH при этом был реализован на основе механизма тасклетов. К сожалению, достаточно сложно переносить обработчики нижних половин с использования интерфейса BH на использование механизм тасклетов или отложенных прерываний, в связи с тем что у новых интерфейсов нет свойства

строгой последовательности выполнения [40] .

40

Отсутствие строгой последовательности выполнения хорошо сказывается на производительности, но приводит к усложнению программирования. Конвертация обработчиков BH в обработчики тасклетов, например, требует тщательного осмысления того, безопасно ли выполнять этот же код в то же самое время другим тасклетом? Однако после того как конвертация выполнена, это окупается повышением производительности.

Однако при разработке ядер серии 2.5 необходимую конвертацию все же сделали, когда таймеры ядра и подсистему SCSI (единственные оставшиеся системы, которые использовали механизм BH) наконец-то перевели на использование отложенных прерываний. И в завершение, разработчики ядра совсем убрали интерфейс BH. Скатертью дорога тебе, интерфейс BH!

Очереди отложенных действий

Очереди отложенных действий (work queue) — это еще один способ реализации отложенных операций, который отличается от рассмотренных ранее. Очереди действий позволяют откладывать некоторые операции для последующего выполнения потоком пространства ядра — отложенные действия всегда выполняются в контексте процесса. Поэтому код, выполнение которого отложено с помощью постановки в очередь отложенных действий, получает все преимущества, которыми обладает код, выполняющийся в контексте процесса. Наиболее важное свойство — это то, что выполнение очередей действий управляется планировщиком процессов и, соответственно, выполняющийся код может переходить в состояние ожидания (sleep).

Обычно принять решение о том, что необходимо использовать: очереди отложенных действий или отложенные прерывания/тасклеты, достаточно просто. Если отложенным действиям необходимо переходить в состояние ожидания, то следует использовать очереди действий. Если же отложенные операции не могут переходить в состояние ожидания, то воспользуйтесь тасклетами или отложенными прерываниями. Обычно альтернатива использованию очередей отложенных действий — это создание новых потоков пространства ядра. Поскольку при введении новых потоков пространства ядра разработчики ядра обычно хмурят брови (а у некоторых народов это означает смертельную обиду), настоятельно рекомендуется использовать очереди отложенных действий. Их действительно очень просто использовать.

Если для обработки нижних половин необходимо использовать нечто, что планируется на выполнение планировщиком процессов, то воспользуйтесь очередями отложенных действий. Это единственный механизм обработки нижних половин, который всегда выполняется в контексте процесса, и, соответственно, единственный механизм, с помощью которого обработчики нижних половин могут переходить в состояние ожидания. Это означает, что они полезны в ситуациях, когда необходимо выделять много памяти, захватывать семафор или выполнять блочные операции ввода-вывода. Если для выполнения отложенных операций нет необходимости использовать поток ядра, то стоит подумать об использовании тасклетов.

Реализация очередей отложенных действий

В своей наиболее общей форме подсистема очередей отложенных действий — это интерфейс для создания потоков пространства ядра, которые выполняют некоторые действия,

где-то поставленные в очередь. Эти потоки ядра называются рабочими потоками (worker threads). Очереди действий позволяют драйверам создавать специальные рабочие потоки ядра для того, чтобы выполнять отложенные действия. Кроме того, подсистема очередей действий содержит рабочие потоки ядра, которые работают по умолчанию. Поэтому в своей общей форме очереди отложенных действий — это простой интерфейс пользователя для откладывания работы, которая будет выполнена потоком ядра.

Рабочие потоки, которые выполняются по умолчанию, называются

events/n

, где

n

 — номер процессора. Для каждого процессора выполняется один такой поток. Например, в однопроцессорной системе выполняется один поток

events/0

. Б двухпроцессорной системе добавляется еще один поток—

events/1

. Рабочие потоки, которые выполняются по умолчанию, обрабатывают отложенные действия, которые приходят из разных мест. Многие драйверы, которые работают в режиме ядра, откладывают обработку своих нижних половин с помощью потоков, работающих по умолчанию. Если для драйвера или подсистемы нет строгой необходимости в создании своего собственного потока ядра, то использование потоков, работающих по умолчанию, более предпочтительно.

Тем не менее ничто не запрещает коду ядра создавать собственные потоки. Это может понадобиться, если в рабочем потоке выполняется большое количество вычислительных операций. Операции, критичные к процессорным ресурсам или к высокой производительности, могут получить преимущества от использования отдельного выделенного потока. Это также уменьшает нагрузку на потоки, работающие по умолчанию, и предотвращает нехватку ресурсов для остальных отложенных действий.

Структуры данных для представления потоков

Рабочие потоки представлены с помощью следующей структуры

workqueue_struct

.

/*

* Внешне видимая абстракция для представления очередей отложенных

действий представляет собой массив очередей для каждого процессора:

*/

struct workqueue_struct {

 struct cpu_workqueue_struct cpu_wq[NR_CPUS];

 const char* name;

 struct list_head list;

};

Эта структура содержит массив структур

struct cpu_workqueue_struct

, по одному экземпляру на каждый возможный процессор в системе. Так как рабочий поток существует для каждого процессора в системе, то для каждого рабочего потока, работающего на каждом процессоре машины, существует такая структура.

Структура

cpu_workqueue_struct

определена в файле

kernel/workqueue.c

и является основной. Эта структура показана ниже.

/*

* Очередь отложенных действий, связанная с процессором:

*/

struct cpu_workqueue_struct {

 spinlock_t lock; /* Очередь для защиты данной структуры */

 long remove_sequence; /* последний добавленный элемент

(следующий для запуска ) */

 long insert_sequence; /* следующий элемент для добавления */

 struct list_head worklist; /* список действий */