共時情境與相競現象

1. 共時情境與相競現象 報告者:吳依靜

2. OUTLINE • 共時情境 • 5.1 scull裡的陷阱 • 5.2共時情境與其控管方法 • 5.3權狀與獨佔權 • 5.4完工通知 • 5.5迴旋鎖 • 5.6鎖定機制的使用心法 • 5.7鎖定技術的替代方案

3. 共時情境 • 共時情境(concurrency) 系統試著同時執行一件以上的工作。 • 早期版本的Linux核心，不支援SMP，只有在服務硬體中斷的時，才有可能引發共時情境。

4. 5.1 scull裡的陷阱 • 以下是Scull 中的一段程式碼 if (!dptr->data[s_pos]) { dptr->data[s_pos] = kmalloc(quantum, GFP_KERNEL); if (!dptr->data[s_pos]) goto out; } • 假設有2個互不相干的行程A與B，恰巧試圖對同一個scull裝置的同一個位置寫入資料。兩者同時抵達上述程式第一個if敘述……

5. 5.1 scull裡的陷阱 • 相競現象(race condition) 執行結果會隨事件發生順序而異的現象。 • 相競現象可能會造成失憶、系統崩潰、侵蝕資料或是引發安全漏洞。

6. 5.2共時情境與其控管方法 • 鎖定(locking) • 排他獨佔(mutual exclusion) • 保障每次都只有一個執行緒可操作共享資源。

7. 5.3權狀與獨佔權 • 當一個執行緒發現他必須配置記憶體的時候，在他完成配置之前，其他的執行緒都不會進行該測試。 • 設置關鍵區(critical section)，就是在任何時候會多只有一個執行緒的程式段。 • 就scull的需求而言，最能夠滿足我們所需條件的機制是「權狀」(semaphore)

8. 5.3權狀與獨佔權 • Semaphores是一個有嚴謹定義的觀念。在本質上，一個semaphore是一個整數值與一對通常稱為P與V的函式之組合。當一個行程即將進入關鍵區，必須先呼叫該關鍵區的權狀的P函式。若權狀值大於0，則將該值-1，讓行程進入關鍵區。 • 相對的，若權狀值為0(或更低)，則行程必須等待其他行程釋出權狀。當行程離開關鍵區時，必須呼叫V來釋回權狀。V函式會將權狀值遞增1，並喚醒正在等待他的行程(如果有的話)。

9. 5.3權狀與獨佔權 • 排它獨佔(mutual exclusion) 避免同時有多個行程進入關鍵區。 • 若是權狀每次只能由一個行程持有，我們稱這種模式的權狀為「獨佔權」(mutex) • Linux核心裡找到的權狀幾乎都是獨佔權

10. Linux的權狀機制 • <asm/semaphore.h> void sema_init(struct semaphore *sem, int val); DECLARE_MUTEX(name); //1 DECLARE_MUTEX_LOCKED(name); //0 void init_MUTEX(struct semaphore *sem); void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);

11. Linux的權狀機制 Down()會遞減權狀值，並持續等到適當的時機 void down(struct semaphore *sem); int down_interruptible(struct semaphore *sem); int down_trylock(struct semaphore *sem); Up()返回的那一瞬間，呼叫者就不再持有權狀，任何取得權狀的執行緒，都必須呼叫一次up()來釋放權狀。 void up(struct semaphore *sem);

12. 在scull裡使用權狀 • Scull_dev的結構 struct scull_dev { struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set */ int quantum; /* the current quantum size */ int qset; /* the current array size */ unsigned long size; /* amount of data stored here */ unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */ struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */ struct cdev cdev; /* Char device structure */ };

13. 在scull裡使用權狀 • Scull 初始化 for (i = 0; i < scull_nr_devs; i++) { scull_devices[i].quantum = scull_quantum; scull_devices[i].qset = scull_qset; sema_init(&scull_devices[i].sem, 1); scull_setup_cdev(&scull_devices[i], i); }

14. Reader/Writer權狀 • <linux/rwsem.h> void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem); • Reader void down_read(struct rw_semaphore *sem); int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem); void up_read(struct rw_semaphore *sem);

15. Reader/Writer權狀 • Writer void down_write(struct rw_semaphore *sem); int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem); void up_write(struct rw_semaphore *sem); void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);

16. 5.4完工通知 • 如果權狀的占用時間很長，或是相競爭取權狀的情況很嚴重，就會嚴重影響效率表現。對於需要長期等待的工作，權狀不是理想工具。 • 2.4.7版核心有一個「完工通知」(completion)介面。用途是讓一個執行緒可將完工消息告訴另一個執行緒。

17. 5.4完工通知 • <linux/completion.h> DECLARE_COMPLETION(my_completion); • 等候完成 void wait_for_completion(struct completion *c); *wait_for_completion()是不可中斷的，這表示若是呼叫了他卻沒送出完工通知，結果將造成一個殺不死的行程。 • 用於等待完工的通知 void complete(struct completion *c); void complete_all(struct completion *c);

18. 5.4完工通知 • 如果使用了void complete_all()則必須以下列巨集來重新初始化 INIT_COMPLETION(struct completion c);

19. 5.4完工通知 ssize_t complete_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) { printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) going to sleep\n",current->pid, current->comm); wait_for_completion(&comp); printk(KERN_DEBUG "awoken %i (%s)\n", current->pid, current->comm); return 0; /* EOF */ }

20. 5.4完工通知 ssize_t complete_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) { printk(KERN_DEBUG "process %i (%s) awakening the readers...\n", current->pid, current->comm); complete(&comp); return count; /* succeed, to avoid retrial */ }

21. 5.5迴旋鎖 • 不同於權狀，迴旋鎖可用於不得休眠的程式，像是interrrupt handlers。 • 只有“開鎖”、“閉鎖”兩種狀態。 • 相競爭取同一個迴旋鎖時，處理器就進入一個busy-wait迴圈，枯等機會進入關鍵區。

22. Spinlocks API 簡介 <linux/spinlock.h> spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; void spin_lock_init(spinlock_t *lock); Lock void spin_lock(spinlock_t *lock); unLock void spin_unlock(spinlock_t *lock);

23. 迴旋鎖與連動環境 • 當你的驅動程式取得了一個迴旋鎖，並進入了他的關鍵區。在離開關鍵區之前，你的驅動程式失去了處理器。(有一個較高優先度的行程把你的程式推到旁邊)於是，你的程式上了鎖，卻不會在可預見的未來開鎖，有可能導致整個系統死結的狀況。 • 因此，使用迴旋鎖有一個規則，就是持有鎖的程式段必須是連動的(atomic)，不能休眠。

24. 迴旋鎖與連動環境 • 關於kernel preemption的問題，只要迴旋鎖上了鎖，相關處理器的preemption就立即失效。 • 避免在持有鎖的狀況下陷入休眠，至今沒有有效的方法，只能把握幾個原則來判斷哪些函式有休眠的可能。

25. 迴旋鎖與連動環境 • 你的裝置受迴旋鎖保護。假設我的驅動程式正在執行中，且已經取得代表裝置控制權的迴旋鎖。在上鎖的期間，裝置發出了中斷要求，觸發了中斷服務程式(ISR)。ISR同樣必須先取得迴旋鎖。然而，若ISR與原本持有的迴旋鎖但被打岔的程式段是在同一個處理器上運作。Interrrupt handler會不停空轉，而有會釋出迴旋鎖的程式段會沒機會執行。

26. SpinLock API Lock void spin_lock(spinlock_t *lock); void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags); void spin_lock_irq(spinlock_t *lock); void spin_lock_bh(spinlock_t *lock) unLock void spin_unlock(spinlock_t *lock); void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock); void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);

27. SpinLock API tryLock int spin_trylock(spinlock_t *lock); int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);

28. Reader/Writer 迴旋鎖 Read void read_lock(rwlock_t *lock); void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags); void read_lock_irq(rwlock_t *lock); void read_lock_bh(rwlock_t *lock); void read_unlock(rwlock_t *lock); void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags); void read_unlock_irq(rwlock_t *lock); void read_unlock_bh(rwlock_t *lock);

29. Reader/Writer 迴旋鎖 Write void write_lock(rwlock_t *lock); void write_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags); void write_lock_irq(rwlock_t *lock); void write_lock_bh(rwlock_t *lock); int write_trylock(rwlock_t *lock); void write_unlock(rwlock_t *lock); void write_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags); void write_unlock_irq(rwlock_t *lock); void write_unlock_bh(rwlock_t *lock);

30. 5.6鎖定機制的使用心法 • 模擬兩可的規則 編寫程式的時候，必定會遇到多個函式都需要存取特定鎖定的機制所保護的資料結構。如果在一個函式上鎖的狀況下，叫了另一個也會試圖上鎖的函式，則會形成死結。

31. 5.6鎖定機制的使用心法 • 鎖定順序 假設我持有2個鎖，lock1和lock2，啽有一段程式同時需要這兩個鎖。那麼這段程式就暗藏了死結。 解決問題的方法是，總是以相同的順序來取得保護鎖。

32. 5.6鎖定機制的使用心法 • 細膩鎖定vs粗糙鎖定 BKL(The big kernel lock)其作用就是讓核心成為一個超大關鍵區，讓任何時刻都只有一個CPU可執行程式。

33. 5.7鎖定技術的替代方案 • 無鎖演算法 使用環狀暫存區的資料結構(circular buffer)，適合應付無保護鎖“單消費者-單製造者”互動。

34. 5.7鎖定技術的替代方案 • 製造者負責將資料填寫在陣列的某一端，消費者從陣列的另外一端取走資料。當製造者走到陣列的末端，就繞回到陣列的頂端。所以一個環狀暫存區需要一個陣列與兩個索引指標，分別指向新資料的存放點(寫入點)，以及下一筆要被取出的舊資料。

35. 5.7鎖定技術的替代方案