Разработка ядра Linux - Роберт Лав

При написании кода ядра нельзя считать, что параметр HZ имеет определенное заданное значение. В наши дни это уже не такая часто встречающаяся ошибка, так как поддерживается много различных аппаратных платформ с разными частотами системного таймера. Раньше аппаратная платформа Alpha была единственной, для которой частота системного таймера отличалась от 100 Гц, и часто можно было встретить код, в котором жестко было прописано значение 100 там, где нужно использовать параметр HZ. Примеры использования параметра HZ в коде ядра будут приведены ниже.

Частота системного таймера достаточно важна. Как будет видно, обработчик прерывания таймера выполняет много работы. Вся информация о времени в ядре получается из периодичности системного таймера. Весь компромисс состоит только в том, чтобы выбрать правильное значение данного параметра исходя из взаимоотношения между разными факторами.

Идеальное значение параметра HZ

Для аппаратной платформы i386, начиная с самых первых версий операционной системы Linux, значение частоты системного таймера было равно 100 Гц. Однако во время разработки ядер серии 2.5 это значение было увеличено до 1000 Гц, что (как всегда бывает в подобных ситуациях) вызвало споры. Так как в системе очень многое зависит от прерывания таймера, то изменение значения частоты системного таймера должно оказывать сильное влияние на систему. Конечно, как в случае больших, так и в случае маленьких значений параметра HZ есть свои положительные и отрицательные стороны.

Увеличение значения частоты системного таймера означает, что обработчик прерываний таймера выполняется более часто. Следовательно, вся работа, которую он делает, также выполняется более часто. Это позволяет получить следующие преимущества.

• Прерывание таймера имеет большую разрешающую способность по времени, и следовательно, все событии, которые выполняются во времени, также имеют большую разрешающую способность.

• Увеличивается точность выполнения событий во времени.

Разрешающая способность увеличивается во столько же раз, во сколько раз возрастает частота импульсов. Например, гранулярность таймеров при частоте импульсов 100 Гц равна 10 миллисекунд. Другими словами, все периодические события выполняются прерыванием таймера, которое генерируется с предельной точностью по времени, равной 10 миллисекунд, и большая точность[55] не гарантируется. При частоте, равной 1000 Гц, разрешающая способность равна 1 миллисекунде, т.е. в 10 раз выше. Хотя ядро позволяет создавать таймеры с временным разрешением, равным 1 миллисекунде, однако при частоте системного таймера в 100 Гц нет возможности гарантированно получить временной интервал, короче 10 миллисекунд.

Точность измерения времени также возрастает аналогичным образом. Допустим, что таймеры ядра запускаются в случайные моменты времени, тогда в среднем таймеры будут срабатывать с точностью по времени до половины периода прерывания таймера, потому что период времени таймера может закончиться в любой момент, а обработчик таймера может выполниться, только когда генерируется прерывание таймера. Например, при частоте 100 Гц описанные события в среднем будут возникать с точностью ±5 миллисекунд от желаемого момента времени. Поэтому ошибка измерения в среднем составит 5 миллисекунд. При частоте 1000 Гц ошибка измерения в среднем уменьшается до 0.5 миллисекунд — получает десятикратное улучшение.

Более высокое разрешение и большая точность обеспечивают следующие преимущества.

• Таймеры ядра выполняются с большим разрешением и с лучшей точностью (это позволяет получить много разных улучшений, некоторые из которых описаны дальше).

• Системные вызовы, такие как poll() и select(), которые позволяют при желании использовать время ожидания (timeout) в качестве параметра, выполняются с большей точностью.

• Измерения, такие как учет использования ресурсов или измерения времени работы системы, выполняются с большей точностью.

• Вытеснение процессов выполняется более правильно.

Некоторые из наиболее заметных улучшений производительности — это улучшения точности измерения периодов времени ожидания при выполнении системных вызовов poll() и select(). Это улучшение может быть достаточно большим. Прикладная программа, которая интенсивно использует эти системные вызовы, может тратить достаточно много времени, ожидая на прерывания таймера, хотя в действительности интервал времени ожидания уже истек. Следует вспомнить, что средняя ошибка измерения времени (т.е. потенциально зря потраченное время) равна половине периода прерывания таймера.

Еще одно преимущество более высокой частоты следования импульсов таймера — это более правильное вытеснение процессов, что проявляется в уменьшении задержки за счет планирования выполнения процессов. Вспомним из материала главы 4, что прерывание таймера ответственно за уменьшение кванта времени выполняющегося процесса. Когда это значение уменьшается до нуля, устанавливается флаг need_resched, и ядро активизирует планировщик как только появляется такая возможность. Теперь рассмотрим ситуацию, когда процесс в данный момент выполняется и у него остался квант времени, равный 2 миллисекундам. Это означает, что через 2 миллисекунды планировщик должен вытеснить этот процесс и запустить на выполнение другой процесс. К сожалению, это событие не может произойти до того момента, пока не будет сгенерировано следующее прерывание таймера. В самом худшем случае следующее прерывание таймера может возникнуть через 1/HZ секунд! В случае, когда параметр HZ=100, процесс может получить порядка 10 лишних миллисекунд. Конечно, в конце концов все будет сбалансировано и равнодоступность ресурсов не нарушится, потому что все задания планируются с одинаковыми ошибками, и проблема состоит не в этом. Проблемы возникают из-за латентности, которую вносят задержки вытеснения процессов. Если задание, которое планируется на выполнение, должно выполнить какие-нибудь чувствительные ко времени действия, как, например, заполнить буфер аудиоустройства, то задержка не допустима. Увеличение частоты до 1000 Гц уменьшает задержку планировщика в худшем случае до 1 миллисекунды, а в среднем — до 0.5 миллисекунды.

Должна, однако, существовать и обратная сторона увеличения частоты системного таймера, иначе она была бы с самого начала равна 1000 Гц (или даже больше). На самом деле существует одна большая проблема. Более высокая частота вызывает более частые прерывания таймера, что означает большие накладные затраты. Чем выше частота, тем больше времени процессор должен тратить на выполнение прерываний таймера. Это приводит не только к тому, что другим задачам отводится меньше процессорного времени, но и к периодическому трешингу (trashing) кэша процессора (т.е. кэш заполняется данными, которые не используются процессором). Проблема, связанная с накладными расходами, вызывает споры. Ясно, что переход от значения HZ=100 до значения HZ=1000 в 10 раз увеличивает накладные затраты, связанные с прерываниями таймера. Однако от какого реального значения накладных затрат следует отталкиваться? Если "ничего" умножить на 10, то получится тоже "ничего". Решающее соглашение состоит в том, что по крайней мере для современных систем, значение параметра HZ=1000 не приводит к недопустимым накладным затратам. Тем не менее для ядер серии 2.6 существует возможность скомпилировать ядро с другим значением параметра HZ[56].

Может возникнуть вопрос, всегда ли для функционирования операционной системы необходимо использовать фиксированное прерывание таймера? Можно ли создать операционную систему, в которой не используются периодические отметки времени? Да, можно, но результат будет не очень привлекательным.

Нет строгой необходимости в использовании прерывания таймера, которое возникает с фиксированной частотой. Вместо этого ядро может использовать динамически программируемый таймер для каждого ожидающего события. Такое решение сразу же приведет к дополнительным накладным затратам процессорного времени в связи с обработкой событий таймера, поэтому лучшим решением будет использовать один таймер и программировать его так, чтобы он срабатывал тогда, когда должно наступить ближайшее событие.

Когда обработчик таймера сработает, создается новый таймер для следующего события и так повторяется постоянно. При таком подходе не требуется периодическое прерывание таймера и нет необходимости в параметре HZ.

Однако при указанном подходе необходимо решить две проблемы. Первая проблема — это как в таком случае реализовать концепцию периодических отметок времени, хотя бы для того, чтобы ядро могло отслеживать относительные интервалы времени. Эту проблему решить не сложно. Вторая проблема — это как избежать накладных затрат, связанных с управлением динамическими таймерами, даже при наличии оптимизации. Данную проблему решить сложнее. Накладные расходы и сложность реализации получаются настолько высокими, что в операционной системе Linux такой подход решили не использовать. Тем не менее так пробовали делать, и результаты получаются интересными. Если интересно, то можно поискать в Интернет-архивах.