Linux内核同步机制之(六):Seqlock

作者:linuxer 发布于:2015-9-9 11:55 分类:内核同步机制

一、前言

普通的spin lock对待reader和writer是一视同仁,RW spin lock给reader赋予了更高的优先级,那么有没有让writer优先的锁的机制呢?答案就是seqlock。本文主要描述linux kernel 4.0中的seqlock的机制,首先是seqlock的工作原理,如果想浅尝辄止,那么了解了概念性的东东就OK了,也就是第二章了,当然,我还是推荐普通的驱动工程师了解seqlock的API,第三章给出了一个简单的例子,了解了这些,在驱动中(或者在其他内核模块)使用seqlock就可以易如反掌了。细节是魔鬼,概念性的东西需要天才的思考,不是说就代码实现的细节就无足轻重,如果想进入seqlock的内心世界,推荐阅读第四章seqlock的代码实现,这一章和cpu体系结构相关的内容我们选择了ARM64(呵呵~~要跟上时代的步伐)。最后一章是参考资料,如果觉得本文描述不清楚,可以参考这些经典文献,在无数不眠之夜,她们给我心灵的慰籍,也愿能够给读者带来快乐。

二、工作原理

1、overview

seqlock这种锁机制是倾向writer thread,也就是说,除非有其他的writer thread进入了临界区,否则它会长驱直入,无论有多少的reader thread都不能阻挡writer的脚步。writer thread这么霸道,reader肿么办?对于seqlock,reader这一侧需要进行数据访问的过程中检测是否有并发的writer thread操作,如果检测到并发的writer,那么重新read。通过不断的retry,直到reader thread在临界区的时候,没有任何的writer thread插入即可。这样的设计对reader而言不是很公平,特别是如果writer thread负荷比较重的时候,reader thread可能会retry多次,从而导致reader thread这一侧性能的下降。

总结一下seqlock的特点:临界区只允许一个writer thread进入,在没有writer thread的情况下,reader thread可以随意进入,也就是说reader不会阻挡reader。在临界区只有有reader thread的情况下,writer thread可以立刻执行,不会等待。

2、writer thread的操作

对于writer thread,获取seqlock操作如下:

(1)获取锁(例如spin lock),该锁确保临界区只有一个writer进入。

(2)sequence counter加一

释放seqlock操作如下:

(1)释放锁,允许其他writer thread进入临界区。

(2)sequence counter加一(注意:不是减一哦,sequence counter是一个不断累加的counter)

由上面的操作可知,如果临界区没有任何的writer thread,那么sequence counter是偶数(sequence counter初始化为0),如果临界区有一个writer thread(当然,也只能有一个),那么sequence counter是奇数。

3、reader thread的操作如下:

(1)获取sequence counter的值,如果是偶数,可以进入临界区,如果是奇数,那么等待writer离开临界区(sequence counter变成偶数)。进入临界区时候的sequence counter的值我们称之old sequence counter。

(2)进入临界区,读取数据

(3)获取sequence counter的值,如果等于old sequence counter,说明一切OK,否则回到step(1)

4、适用场景。一般而言,seqlock适用于:

(1)read操作比较频繁

(2)write操作较少,但是性能要求高,不希望被reader thread阻挡(之所以要求write操作较少主要是考虑read side的性能)

(3)数据类型比较简单,但是数据的访问又无法利用原子操作来保护。我们举一个简单的例子来描述:假设需要保护的数据是一个链表,header--->A node--->B node--->C node--->null。reader thread遍历链表的过程中,将B node的指针赋给了临时变量x,这时候,中断发生了,reader thread被preempt(注意,对于seqlock,reader并没有禁止抢占)。这样在其他cpu上执行的writer thread有充足的时间释放B node的memory(注意:reader thread中的临时变量x还指向这段内存)。当read thread恢复执行,并通过x这个指针进行内存访问(例如试图通过next找到C node),悲剧发生了……

三、API示例

在kernel中,jiffies_64保存了从系统启动以来的tick数目,对该数据的访问(以及其他jiffies相关数据)需要持有jiffies_lock这个seq lock。

1、reader side代码如下:

u64 get_jiffies_64(void)
{

    do {
        seq = read_seqbegin(&jiffies_lock);
        ret = jiffies_64;
    } while (read_seqretry(&jiffies_lock, seq));
}

2、writer side代码如下:

static void tick_do_update_jiffies64(ktime_t now)
{
    write_seqlock(&jiffies_lock);

临界区会修改jiffies_64等相关变量,具体代码略
    write_sequnlock(&jiffies_lock);
}

对照上面的代码,任何工程师都可以比着葫芦画瓢,使用seqlock来保护自己的临界区。当然,seqlock的接口API非常丰富,有兴趣的读者可以自行阅读seqlock.h文件。

四、代码实现

1、seq lock的定义

typedef struct {
    struct seqcount seqcount;----------sequence counter
    spinlock_t lock;
} seqlock_t;

seq lock实际上就是spin lock + sequence counter。

2、write_seqlock/write_sequnlock

static inline void write_seqlock(seqlock_t *sl)
{
    spin_lock(&sl->lock);

    sl->sequence++;
    smp_wmb();
}

唯一需要说明的是smp_wmb这个用于SMP场合下的写内存屏障,它确保了编译器以及CPU都不会打乱sequence counter内存访问以及临界区内存访问的顺序(临界区的保护是依赖sequence counter的值,因此不能打乱其顺序)。write_sequnlock非常简单,留给大家自己看吧。

3、read_seqbegin

static inline unsigned read_seqbegin(const seqlock_t *sl)

    unsigned ret;

repeat:
    ret = ACCESS_ONCE(sl->sequence); ---进入临界区之前,先要获取sequenc counter的快照
    if (unlikely(ret & 1)) { -----如果是奇数,说明有writer thread
        cpu_relax();
        goto repeat; ----如果有writer,那么先不要进入临界区,不断的polling sequenc counter
    }

    smp_rmb(); ---确保sequenc counter和临界区的内存访问顺序
    return ret;
}

如果有writer thread,read_seqbegin函数中会有一个不断polling sequenc counter,直到其变成偶数的过程,在这个过程中,如果不加以控制,那么整体系统的性能会有损失(这里的性能指的是功耗和速度)。因此,在polling过程中,有一个cpu_relax的调用,对于ARM64,其代码是:

static inline void cpu_relax(void)
{
        asm volatile("yield" ::: "memory");
}

yield指令用来告知硬件系统,本cpu上执行的指令是polling操作,没有那么急迫,如果有任何的资源冲突,本cpu可以让出控制权。

4、read_seqretry

static inline unsigned read_seqretry(const seqlock_t *sl, unsigned start)
{
    smp_rmb();---确保sequenc counter和临界区的内存访问顺序
    return unlikely(sl->sequence != start);
}

start参数就是进入临界区时候的sequenc counter的快照,比对当前退出临界区的sequenc counter,如果相等,说明没有writer进入打搅reader thread,那么可以愉快的离开临界区。

还有一个比较有意思的逻辑问题:read_seqbegin为何要进行奇偶判断?把一切都推到read_seqretry中进行判断不可以吗?也就是说,为何read_seqbegin要等到没有writer thread的情况下才进入临界区?其实有writer thread也可以进入,反正在read_seqretry中可以进行奇偶以及相等判断,从而保证逻辑的正确性。当然,这样想也是对的,不过在performance上有欠缺,reader在检测到有writer thread在临界区后,仍然放reader thread进入,可能会导致writer thread的一些额外的开销(cache miss),因此,最好的方法是在read_seqbegin中拦截。

五、参考文献

1、Understanding the Linux Kernel 3rd Edition

2、Linux Kernel Development 3rd Edition

3、Perfbook (https://www.kernel.org/pub/linux/kernel/people/paulmck/perfbook/perfbook.html)

 

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标签: Seqlock

评论:

will
2016-08-29 19:18
释放seqlock操作如下:

(1)释放锁,允许其他writer thread进入临界区。

(2)sequence counter加一(注意:不是减一哦,sequence counter是一个不断累加的counter)

这个加一应该在释放锁之前吧。。???
linuxer
2016-08-30 08:35
@will:为何你觉得是加一在前呢?
js_wawayu
2016-05-25 14:55
都是高手,佩服!
维尼
2015-09-17 11:13
都3.10后内核都是64的 但是为什么大部分手机还是32的  
楼主能 讲一下 怎么看android 手机 内核位数吗  我都是print一下 long类型
linuxer
2015-09-17 23:20
@维尼:linux支持多种cpu,32位的、64位的、ARM、x86、powerPC什么的都支持,只要在编译内核的时候进行配置就OK了。
维尼
2015-09-18 08:57
@linuxer:现在市面是的手机貌似没有64位的内核啊
schedule
2015-09-13 18:36
btrfs 目前看没啥前途啊,linuxer怎么看中了这个模块
linuxer
2015-09-14 09:02
@schedule:原因有几个:
1、我一直对文件系统比较感兴趣,但是之前由于搞嵌入式,因此都是一些小打小闹的文件系统(例如yaffs),一直想了解一个功能比较强大的文件系统的运作机制。
2、有一段时间我很关注内核的更新情况(现在都没有时间去了解了),看到btrfs更新非常频繁,处于活跃期,这时候的模块有很多issue,可参与度比较高
3、我简单的检索了一下资料,似乎btrfs有取代EXT4文件系统的趋势

文件系统模块,schedule有什么推荐?
schedule
2015-09-14 09:18
@linuxer:其实文件系统方面我就是菜鸟级别的。
btrfs更新是很快,但是感觉好多东西都是在模仿ZFS,ZFS 10年前都有商业部署了,btrfs概念炒的比较厉害,但是总是感觉像付不起的阿斗,有那么点不给力。一直以为红帽会在fedora发行版上作为默认的文件系统,结果XFS 突然上位。

我觉得现在想在文件系统做投入,要么搞大(像Global FS),要么搞小(F2FS)。PC或者小型机级别的FS都被云概念炒翻了。当然btrfs很多概念很先进,学习是绝对值得的。
linuxer
2015-09-14 12:38
@schedule:schedule,你是做哪一行的?虽然你说你是菜鸟级别,不过感觉对fs还是比较了解的,你是搞服务器(数据中心、云计算什么的)方向的吗?
schedule
2015-09-15 20:51
@linuxer:呃呃呃,我是个医生。。。从小对电脑感兴趣,没事就看看代码,
linuxer
2015-09-15 22:45
@schedule:天哪,我已经晕倒......别和我说话,我想静静
wowo
2015-09-15 22:48
@schedule:这才是真正的大神啊,我的偶像啊!把兴趣留给业余时间,不想当厨子的生物学家不是好程序员啊!羡慕……
schedule
2015-09-15 23:25
@wowo:比不了你们年轻人啊,周围的朋友有爱玩飞行器的,有玩汽车的,偏偏我喜欢静心下来看看代码,就像看书似的,就是一种爱好。
C
2015-12-18 16:04
@schedule:这位大哥使我想到一个澳大利亚的kernel hacker,他的正常职业是麻醉师,最早他帮内核写了一个Fair Scheduler,得到大量好评,然后Ingo眼红,跟着写了一个Complete Fair Scheduler, 然后两个scheduler互相PK看谁能进主线, 结果最后linus拍板说CFS进吧,问他为啥,他说,Fair Scheduler的哥们回复邮件太慢了。。。 别人又不是专职的,怎么可能和Ingo这些geek拼时间。
wowo
2015-12-18 16:07
@C:哈哈,让我笑一会…
tigger
2015-12-21 10:06
@schedule:医生啊。。。。。。
哪个科室?
听说牙科跟妇产科最挣钱
leefong.chen
2015-09-11 16:14
@linuxer 你在Linux maillist中提交patch了吗?模块比较多,想为Linux做点贡献,想找些志同道合的人一起分析、讨论内核某个模块,可否建立一个平台,让大家讨论最新Linux。
linuxer
2015-09-11 18:31
@leefong.chen:很遗憾,我也没有提交过patch,如果想要提交patch,自身需要很强才可以,我感觉目前我的水平还不足以向内核提交patch(当然,那种外设驱动级别或者ARM下的某个machine级别的code之类的patch并不需要很高的能力,但是我没有兴趣),因此我现在就是想修炼内功,先把内核的几个基础模块(中断子系统、时间子系统、内核同步机制、进程管理、内存管理、I/O系统)研究透彻之后,然后选定一个内核模块(例如现在比较活跃的btrfs),进行深入理解,思考,看看是否有机会增加其功能或者改善其性能。

BTW,你想建立平台,让志同道合的人一起分析、讨论内核某个模块,想法当然好,不过这样的人其实很少,就算是有,又忙于生计,其实是挺困难的一件事情,因此,我对这件事情不看好,很容易虎头蛇尾......
leefong.chen
2015-09-11 21:06
@linuxer:中国就是这样,先要生计,再谈兴趣。什么时候学习IO系统,一起学习。
mj
2015-09-11 07:09
什么时候也出一篇关于RCU的文章,特别是update的时机,期待中。
linuxer
2015-09-11 09:04
@mj:蜗窝当然不会忽略RCU这么强大的工具,关于RCU的文档已经开了个头,不过RCU比较复杂,估计需要酝酿一段时间,^_^

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