Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Время вышло

В этой главе были рассмотрены понятия, связанные с представлением о времени в ядре и с тем, как при этом происходит управление абсолютным и относительным ходом времени. Были показаны отличия абсолютного и относительного времени, а также периодических и относительных событий. Далее были рассмотрены прерывания таймера, импульсы таймера, константа HZ и переменная jiffies.

После этого было рассказано о том, как реализованы таймеры ядра и как их можно использовать в собственном коде ядра. В конце главы были представлены другие методы, которые разработчики могут использовать для учета времени.

Большая часть кода ядра, который вам придется писать, требует понимания того, как время течет в ядре и как его отслеживать. С очень большой вероятностью, особенно при разработке драйверов, вам необходимо будет иметь дело с таймерами ядра. Материал этой главы принесет практическую пользу.

Глава 11

Управление памятью

Выделить память внутри ядра не так просто, как вне ядра. Это связано со многими факторами. Главным образом, причина в том, что в ядре не доступны те элементы роскоши, которыми можно пользоваться в пространстве пользователя, В отличие от пространства пользователя, в ядре не всегда можно позволить себе легко выделять память. Например, в режиме ядра часто нельзя переходить в состояние ожидания. Более того, в ядре не так просто справиться с ошибками, которые возникают при работе с памятью. Из-за этих ограничений и из-за необходимости, чтобы схема выделения памяти была быстрой, работа с памятью в режиме ядра становится более сложной, чем в режиме пользователя. Конечно, нельзя сказать, что выделение памяти в ядре — очень сложная процедура, однако скоро все будет ясно — просто это делается несколько по-другому.

В этой главе рассматриваются средства, которые предназначены для выделения памяти внутри ядра. Перед изучением интерфейсов, предназначенных для выделения памяти, необходимо рассмотреть, как ядро управляет памятью.

Страницы памяти

Ядро рассматривает страницы физической памяти как основные единицы управления памятью. Хотя наименьшая единица памяти, которую может адресовать процессор, — это машинное слово, модуль управления памятью (MMU, Memory Management Unit) — аппаратное устройство, которое управляет памятью и отвечает за трансляцию виртуальных адресов в физические  — обычно работает со страницами. Поэтому модуль MMU управляет таблицами страниц на уровне страничной детализации (отсюда и название). С точки зрения виртуальной памяти, страница — это наименьшая значащая единица.

Как будет показано в главе 19, "Переносимость", каждая аппаратная платформа поддерживает свой характерный размер страницы. Многие аппаратные платформы поддерживают даже несколько разных размеров страниц. Большинство 32-разрядных платформ имеют размер страницы, равный 4 Кбайт, а большинство 64-разрядных платформ — 8 Кбайт. Это значит, что на машине, размер страницы которой равен 4 Кбайт, при объеме физической памяти, равном 1 Гбайт, эта физическая память разбивается на 262 144 страницы.

Ядро сопоставляет каждой странице физической памяти в системе структуру struct page. Эта структура определена в файле <linux/mm.h> следующим образом.

struct page {

 page_flags_t         flags;

 atomic_t             _count;

 atomic_t             _mapcount;

 unsigned long        private;

 struct address_space *mapping;

 pgoff_t              index;

 struct list_head     lru;

 void                 *virtual;

};

Рассмотрим самые важные поля этой структуры. Поле flags содержит состояние страницы. Это поле включает следующую информацию: является ли страница измененной (dirty) или заблокированной (locked) в памяти. Значение каждого флага представлено одним битом, поэтому всего может быть до 32 разных флагов. Значения флагов определены в файле <linux/page-flags.h>.

Поле _count содержит счетчик использования страницы — т.е. сколько на эту страницу имеется ссылок. Когда это значение равно нулю, это значит, что никто не использует страницу, и она становится доступной для использования при новом выделении памяти. Код ядра не должен явно проверять значение этого поля, вместо этого необходимо использовать функцию page_count(), которая принимает указатель на структуру page в качестве единственного параметра. Хотя в случае незанятой страницы памяти значение счетчика _count может быть отрицательным (во внутреннем представлении), функция page_count() возвращает значение нуль для незанятой страницы памяти и положительное значение — для страницы, которая в данный момент используется. Страница может использоваться страничным кэшем (в таком случае поле mapping указывает на объект типа address_space, который связан с данной страницей памяти), может использоваться в качестве частных данных (на которые в таком случае указывает поле private) или отображаться в таблицу страниц процесса.

Поле virtual — это виртуальный адрес страницы. Обычно это просто адрес данной страницы в виртуальной памяти ядра. Некоторая часть памяти (называемая областью верхней памяти, high memory) не отображается в адресное пространство ядра (т.е. не входит в него постоянно). В этом случае значение данного поля равно NULL и страница при необходимости должна отображаться динамически. Верхняя память будет рассмотрена в одном из следующих разделов.

Наиболее важный момент, который необходимо понять, это то, что структура page связана со страницами физической, а не виртуальной памяти. Поэтому то, чему соответствует экземпляр этой структуры, в лучшем случае, очень быстро изменяется. Даже если данные, которые содержались в физической странице, продолжают существовать, то это не значит, что эти данные будут всегда соответствовать одной и той же физической странице памяти и соответственно одной и той же структуре page, например из-за вытеснения страниц (swapping) или по другим причинам. Ядро использует эту структуру данных для описания всего того, что содержится в данный момент в странице физической памяти, соответствующей данной структуре. Назначение этой структуры— описывать область физической памяти, а не данных, которые в ней содержатся.

Ядро использует рассматриваемую структуру данных для отслеживания всех страниц физической памяти в системе, так как ядру необходима информация о том, свободна ли страница (т.е. соответствующая область физической памяти никому не выделена). Если страница не свободна, то ядро должно иметь информацию о том, чему принадлежит эта страница. Возможные обладатели: процесс пространства пользователя, данные в динамически выделенной памяти в пространстве ядра, статический код ядра, страничный кэш (page cache) и т.д.

Разработчики часто удивляются, что для каждой физической страницы в системе создается экземпляр данной структуры. Они думают: "Как много для этого используется памяти!" Давайте посмотрим, насколько плохо (или хорошо) расходуется адресное пространство для хранения информации о страницах памяти. Размер структуры struct page равен 40 байт. Допустим, что система имеет страницы размером 1 Кбайт, а объем физической памяти равен 128 Мбайт. Тогда все структуры раде в системе займут немного больше 1 Мбайт памяти — не очень большая плата за возможность управления всеми страницами физической памяти.

Зоны

В связи с ограничениями аппаратного обеспечения, ядро не может рассматривать все страницы памяти как идентичные. Некоторые страницы, в связи со значениями их физических адресов памяти, не могут использоваться для некоторых типов задач. Из-за этого ограничения ядро делит физическую память на зоны. Ядро использует зоны, чтобы группировать страницы памяти с аналогичными свойствами. В частности, операционная система Linux должна учитывать следующие недостатки аппаратного обеспечения, связанные с адресацией памяти.

• Некоторые аппаратные устройства могут выполнять прямой доступ к памяти (ПДП, DMA, Direct Memory Access) только в определенную область адресов.

• На некоторых аппаратных платформах для физической адресации доступны большие объемы памяти, чем для виртуальной адресации. Следовательно, часть памяти не может постоянно отображаться в адресное пространство ядра.

В связи с этими ограничениями, в операционной системе Linux выделяют три зоны памяти.

• ZONE_DMA. Содержит страницы, которые совместимы с режимом DMA.

• ZONE_NORMAL. Содержит страницы памяти, которые отображаются в адресные пространства обычным образом.

• ZONE_HIGHMEM. Содержит "верхнюю память", состоящую из страниц, которые не могут постоянно отображаться в адресное пространство ядра.