Книга: Разработка ядра Linux

Многообразие нижних половин

Многообразие нижних половин

В отличие от обработчиков верхних половин, которые могут быть реализованы только в самих обработчиках прерываний, для реализации обработчиков нижних половин существует несколько механизмов. Эти механизмы представляют собой различные интерфейсы и подсистемы, которые позволяют пользователю реализовать обработку нижних половин. В предыдущей главе мы рассмотрели единственный существующий механизм реализации обработчиков прерываний, а в этой главе рассмотрим несколько методов реализации обработчиков нижних половин. На самом деле за историю операционной системы Linux существовало много механизмов обработки нижних половин. Иногда сбивает с толку то, что эти механизмы имеют очень схожие или очень неудачные названия. Для того чтобы придумывать названия механизмам обработки нижних половин, необходимы "специальные программисты".

В этой главе мы рассмотрим принципы работы и реализацию механизмов обработки нижних половин, которые существуют в ядрах операционной системы Linux серии 2.6. Также будет рассмотрено, как использовать эти механизмы в коде ядра, который вы можете написать. Старые и давно изъятые из употребления механизмы обработки нижних половин представляют собой историческую ценность, поэтому, где это важно, о них также будет рассказано.

В самом начале своего существования операционная система Linux предоставляла единственный механизм для обработки нижних половин, который так и назывался "нижние половины" ("bottom half"). Это название было понятно, так как существовало только одно средство для выполнения отложенной обработки. Соответствующая инфраструктура называлась "BH" и мы ее так дальше и будем назвать, чтобы избежать путаницы с общим термином "bottom half (нижняя половина). Интерфейс BH был очень простым, как и большинство вещей в те старые добрые времена. Он предоставлял статический список из 32 обработчиков нижних половин. Обработчик верхней половины должен был отметить какой из обработчиков нижних половин должен выполняться путем установки соответствующего бита в 32-разрядном целом числе. Выполнение каждого обработчика BH синхронизировалось глобально, т.е. никакие два обработчика не могли выполняться одновременно, даже на разных процессорах. Такой механизм был простым в использовании, хотя и не гибким; простым в реализации, хотя представлял собой узкое место в плане производительности.

Позже разработчики ядра предложили механизм очередей заданий (task queue) — одновременно как средство выполнения отложенной обработки и как замена для механизма BH. В ядре определялось семейство очередей. Каждая очередь содержала связанный список функций, которые должны были выполнять соответствующие действия. Функции, стоящие в очереди, выполнялись в определенные моменты времени, в зависимости от того, в какой очереди они находились. Драйверы могли регистрировать собственные обработчики нижних половин в соответствующих очередях. Этот механизм работал достаточно хорошо, но он был не настолько гибким, чтобы полностью заменить интерфейс BH. Кроме того, он был достаточно "тяжеловесным" для обеспечения высокой производительности критичных к этому систем, таких как сетевая подсистема.

Во время разработки серии ядер 2.3 разработчики ядра предложили механизм отложенных прерываний[34] (softirq) и механизм тасклетов (tasklet).

За исключением решения проблемы совместимости с существующими драйверами, механизмы отложенных прерываний и тасклетов были в состоянии полностью заменить интерфейс BH[35].

Отложенные прерывания — это набор из 32 статически определенных обработчиков нижних половин, которые могут одновременно выполняться на разных процессорах, даже два обработчика одного типа могут выполняться параллельно. Тасклеты — это гибкие, динамически создаваемые обработчики нижних половин, которые являются надстройкой над механизмом отложенных прерываний и имеют ужасное название, смущающее всех[36].

Два различных тасклета могут выполняться параллельно на разных процессорах, но при этом два тасклета одного типа не могут выполняться одновременно. Таким образом, тасклеты — это хороший компромисс между производительностью и простотой использования. В большинстве случаев для обработки нижних половин достаточно использования тасклетов. Обработчики отложенных прерываний являются полезными, когда критична производительность, например, для сетевой подсистемы. Использование механизма отложенных прерываний требует осторожности, потому что два обработчика одного и того же отложенного прерывания могут выполняться одновременно. В дополнение к этому, отложенные прерывания должны быть зарегистрированы статически на этапе компиляции. Тасклеты, наоборот, могут быть зарегистрированы динамически.

Еще больше запутывает ситуацию то, что некоторые люди говорят о всех обработчиках нижних половин как о программных прерываниях, или отложенных прерываниях (software interrupt, или softirq). Другими словами, они называют механизм отложенных прерываний и в общем обработку нижних половин программными прерываниями. На таких людей лучше не обращать внимания, они из той же категории, что и те, которые придумали название "BH" и тасклет.

Во время разработки ядер серии 2.5 механизм BH был в конце концов выброшен, потому что все пользователи этого механизма конвертировали свой код для использования других интерфейсов обработки нижних половин. В дополнение к этому, интерфейс очередей заданий был заменен на новый интерфейс очередей отложенных действий (work queue). Очереди отложенных действий— это простой и в то же время полезный механизм, позволяющий поставить некоторое действие в очередь для выполнения в контексте процесса в более поздний момент времени.

Следовательно, сегодня ядро серии 2.6 предоставляет три механизма обработки нижних половин в ядре: отложенные прерывания, тасклеты и очереди отложенных действий. В ядре также использовались интерфейсы BH и очередей заданий, но сегодня от них осталась только светлая память.

Некоторая путаница с обработчиками нижних половин имеет место, но на самом деле — это только проблема названий. Давайте снова вернемся к этому вопросу.

Термин "нижняя половина" ("bottom half") — это общий термин, который касается операционных систем и связан с тем, что некоторая часть процесса обработки прерывания откладывается на будущее. В операционной системе Linux сейчас этот термин означает то же самое. Все механизмы ядра, которые предназначены для отложенной обработки, являются обработчиками нижних половин.

Некоторые люди также называют обработчики нижних половин программными прерываниями иди "softirq", но они просто пытаются досадить остальным.

Термин "Bottom Half" также соответствует названию самого первого механизма выполнения отложенных действий в операционной системе Linux. Этот механизм еще называется "BH", поэтому далее так будем называть именно этот механизм, а термин "нижняя половина" ("bottom half") будет касаться общего названия. Механизм BH был некоторое время назад выключен из употребления и полностью изъят в ядрах серии 2.5.

Сейчас есть три метода для назначения отложенных операций: механизм отложенных прерываний (softirq), механизм тасклетов и механизм очередей отложенных действий. Тасклеты построены на основе механизма softirq, а очереди отложенных действий имеют полностью отличную реализацию. В табл. 7.1 показана история обработчиков нижних половин.

Таблица 7.1. Состояние обработчиков нижних половин

Давайте продолжим рассмотрение каждого из механизмов в отдельности, пользуясь этой устойчивой путаницей в названиях.

Оглавление книги