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.

---

Системные вызовы, связанные с управлением стратегией и приоритетом

Системные вызовы sched_setscheduler() и sched_getcheduler() позволяют соответственно установить и получить значение стратегии планирования и приоритета реального времени для указанного процесса. Реализация этих функций, так же как и для большинства остальных системных вызовов, включает большое количество разнообразных проверок, инициализаций и очистку значений аргументов. Полезная работа включает в себя только чтение или запись полей policy и rt_priority структуры task_struct указанного процесса.

Системные вызовы sched_setparam() и sched_getparam() позволяют установить и получить значение приоритета реального времени для указанного процесса. Последняя функция просто возвращает значение поля rt_priority, инкапсулированное в специальную структуру sched_param. Вызовы sched_get_priority_max() и sched_get_priority_min() возвращают соответственно максимальное и минимальное значение приоритета реального времени для указанной стратегии планирования. Максимальное значение приоритета для стратегий планирования реального времени равно (MAX_USER_RT_PRIO-1), а минимальное значение — 1.

Для обычных задач функция nice() увеличивает значение статического приоритета вызывающего процесса на указанную в аргументе величину. Только пользователь root может указывать отрицательные значения, т.е. уменьшать значение параметра nice и соответственно увеличивать приоритет. Функция nice() вызывает функцию ядра set_user_nice(), которая устанавливает значение полей static_prio и prio структуры task_struct.

Системные вызовы управления процессорной привязкой

Планировщик ОС Linux может обеспечивать жесткую процессорную привязку (processor affinity). Хотя планировщик пытается обеспечивать мягкую или естественную привязку путем удержания процессов на одном и том же процессоре, он также позволяет пользователям сказать: "Эти задания должны выполняться только на указанных процессорах независимо ни от чего". Значение жесткой привязки хранится в виде битовой маски в поле cpus_allowed структуры task_struct. Эта битовая маска содержит один бит для каждого возможного процессора в системе. По умолчанию все биты установлены в значение 1, и поэтому процесс потенциально может выполняться на всех процессорах в системе. Пользователь с помощью функции sched_setaffinity() может указать другую битовую маску с любой комбинацией установленных битов. Аналогично функция sched_getaffinity() возвращает текущее значение битовой маски cpus_allowed.

Ядро обеспечивает жесткую привязку очень простым способом. Во-первых, только что созданный процесс наследует маску привязки от родительского процесса. Поскольку родительский процесс выполняется на дозволенном процессоре, то и порожденный процесс также будет выполняться на дозволенном процессоре. Во-вторых, когда привязка процесса изменяется, ядро использует миграционные потоки (migration threads) для проталкивания задания на дозволенный процессор. Следовательно, процесс всегда выполняется только на том процессоре, которому соответствует установленный бит в поле cpus_allowed дескриптора процесса.

Передача процессорного времени

Операционная система Linux предоставляет системный вызов sched_yield() как механизм, благодаря которому процесс может явно передать процессор под управление другим ожидающим процессам. Этот вызов работает путем удаления процесса из активного массива приоритетов (где он в данный момент находится, потому что процесс выполняется) с последующим помещением этого процесса в истекший массив. Получаемый аффект состоит не только в том, что процесс вытесняется и становится последним в списке заданий с соответствующим приоритетом, а также в том, что помещение процесса в истекший массив гарантирует, что этот процесс не будет выполняться некоторое время. Так как задачи реального времени никогда не могут быть помещены в истекший массив, они составляют специальный случай. Поэтому они только перемещаются в конец списка заданий с таким же значением приоритета (и не помещаются в истекший массив). В более ранних версиях ОС. Linux семантика вызова sched_yield() была несколько иной. В лучшем случае задание только лишь перемещалось в конец списка заданий с данным приоритетом. Сегодня для пользовательских программ и даже для потоков пространства ядра должна быть полная уверенность в том, что действительно необходимо отказаться от использования процессора, перед тем как ввязывать функцию sched_yield().

В коде ядра, для удобства, можно вызывать функцию yield(), которая проверяет, что состояние задачи равно TASK_RUNNING, а после этого вызывает функцию sched_yield(). Пользовательские программы должны использовать системный вызов sched_yield().

В завершение о планировщике

Планировщик выполнения процессов является важной частью ядра, так как выполнение процессов (по крайней мере, для большинства из нас) — это основное использование компьютера. Тем не менее, удовлетворение всем требованиям, которые предъявляются к планировщику — не тривиальная задача. Большое количество готовых к выполнению процессов, требования масштабируемости, компромисс между производительностью и временем реакции, а также требования для различных типов загрузки системы приводят к тому, что тяжело найти алгоритм, который подходит для всех случаев. Несмотря на это, новый планировщик процессов ядра Linux приближается к тому, чтобы удовлетворить всем этим требованиям и обеспечить оптимальное решение для всех случаев, включая отличную масштабируемость и привлекательную реализацию.

Проблемы, которые остались, включают возможность точной настройки (или даже полную замену) алгоритма оценки степени интерактивности задания, который приносит много пользы, когда работает правильно, и приносит много неудобств, когда выполняет предсказания неверно. Работа над альтернативными реализациями продолжается. Когда-нибудь мы увидим новую реализацию в основном ядре.

Улучшение поведения планировщика для NUMA систем (систем с неоднородным доступом к памяти) становится все более актуальной задачей, так как количество машин на основе NUMA-платформ возрастает. Поддержка доменов планирования (scheduler domain) — абстракция, которая позволяет описать топологию процессов; она была включена в ядро 2.6 в одной из первых версий.

Эта глава посвящена теории планирования процессов, а также алгоритмам и специфической реализации планировщика ядра Linux. В следующей главе будет рассмотрен основной интерфейс, который предоставляется ядром для выполняющихся процессов, — системные вызовы.

Глава 5 Системные вызовы

Ядро операционной системы предоставляет набор интерфейсов, благодаря которым процессы, работающие в пространстве пользователя, могут взаимодействовать с системой. Эти интерфейсы предоставляют пользовательским программам доступ к аппаратному обеспечению и другим ресурсам операционной системы. Интерфейсы работают как посыльные между прикладными программами и ядром, при этом пользовательские программы выдвигают различные запросы, а ядро выполняет их (или приказывает убираться подальше). Тот факт, что такие интерфейсы существуют, а также то, что прикладные программы не имеют права непосредственно делать все, что им заблагорассудится, является ключевым моментом для обеспечения стабильности системы, а также позволяет избежать крупных беспорядков.

Системные вызовы являются прослойкой между аппаратурой и процессами, работающими в пространстве пользователя. Эта прослойка служит для трех главных целей. Во-первых, она обеспечивает абстрактный интерфейс между аппаратурой и пространством пользователя. Например, при записи или чтении данных из файла прикладным программам нет дела до типа жесткого диска, до среды, носителя информации, и даже до типа файловой системы, на которой находится файл. Во-вторых, системные вызовы гарантируют безопасность и стабильность системы. Так как ядро работает посредником между ресурсами системы и пространством пользователя, оно может принимать решение о предоставлении доступа в соответствии с правами пользователей и другими критериями. Например, это позволяет предотвратить возможность неправильного использования аппаратных ресурсов программами, воровство каких-либо ресурсов у других программ, а также возможность нанесения вреда системе. И наконец, один общий слой между пространством пользователя и остальной системой позволяет осуществить виртуальное представление процессов, как обсуждается в главе 3, "Управление процессами".

Если бы приложения имели свободный доступ ко всем ресурсам системы без помощи ядра, то было бы почти невозможно реализовать многозадачность и виртуальную память. В операционной системе Linux системные вызовы являются единственным средством, благодаря которому пользовательские программы могут связываться с ядром; они являются единственной законной точкой входа в ядро. Другие интерфейсы ядра, такие как файлы устройств или файлы на файловой системе /proc, в конечном счете сводятся к обращению через системные вызовы.