리눅스 커널에서 spin_lock_irq() 함수 뿐만 아니라 spin_lock_irqsave() 함수로 임계 영역을 보호하는 기능을 지원합니다.
이번 소절에서는 spin_lock() 함수 기능을 확장한 스핀락 플러그인 함수를 소개합니다.
spin_lock_irqsave()
spin_unlock_irqrestore()
먼저 spin_lock_irqsave()/spin_unlock_restore() 함수를 리눅스 커널에서 지원하는 이유를 알아보고 세부 코드를 분석하겠습니다.
spin_lock_irq() 함수를 써서 임계 영역 코드 구간을 보호하다 보니 다음과 같이 불편한 점이 생겼습니다.
spin_lock_irq() 함수를 호출한 후 인터럽트를 비활성화하다 보니 현재 인터럽트를 상태(활성화/비활성화)를 확인하기 어려움
함수 호출 깊이가 깊어지면 인터럽트를 상태(활성화/비활성화)를 확인하기 어려움
이런 상황에서는 spin_lock_irq() 함수 대신 spin_lock_irqsave() 함수를 쓰면 됩니다.
spin_lock_irqsave() 함수 처리 과정은 다음과 같습니다.
스핀락 획득
인터럽트 라인 비활성화
인터럽트 상태 반환
spin_lock_irqsave() 함수는 스핀락 관점으로 보면 spin_lock()/spin_lock_irq() 함수와 같은 기능입니다. 또한 인터럽트 라인을 비활성화하는 동작은 spin_lock_irq() 함수와 같습니다. 다만 spin_lock_irqsave() 함수는 인터럽트 상태 플래그를 반환하는데 이 정보로 spin_lock_irqrestore() 함수를 호출한다는 점이 다릅니다.
이전 소절에서는 스핀락을 획득하고 인터럽트 라인을 비활성화하는 부분을 살펴봤습니다. 이어서 spin_lock_irqsave()/spin_lock_irqrestore() 함수 분석은 spin_lock_irq()/spin_unlock_irq() 함수와 차이점을 비교하면서 진행하겠습니다.
spin_lock_irqsave() 함수를 쓰는 예제 코드 분석해보기
이번에는 spin_lock_irqsave() 함수를 써서 임계영역을 보호하는 코드를 봅시다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/drivers/base/power/qos.c]
01 enum pm_qos_flags_status dev_pm_qos_flags(struct device *dev, s32 mask)
02 {
03 unsigned long irqflags;
04 enum pm_qos_flags_status ret;
05
06 spin_lock_irqsave(&dev->power.lock, irqflags);
07 ret = __dev_pm_qos_flags(dev, mask);
08 spin_unlock_irqrestore(&dev->power.lock, irqflags);
09
10 return ret;
11 }
07번째 줄 코드가 임계영역인데 이 코드 구간에서 실행 중인 CPU라인의 인터럽트를 비활성화합니다. 07번째 줄 코드 전후로 spin_lock_irqsave()와 spin_unlock_irqrestore() 함수를 호출해 임계 영역을 보호합니다.
이어서 spin_lock_irqsave() 함수와 spin_lock_irqrestore() 함수를 분석합니다.
spin_lock_irqsave() 함수 코드 분석하기
spin_lock_irqsave() 함수 구현부 코드는 다음과 같습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/spinlock.h]
#define spin_lock_irqsave(lock, flags) \
do { \
raw_spin_lock_irqsave(spinlock_check(lock), flags); \
} while (0)
spin_lock_irqsave() 함수는 스핀락 관점으로 spin_lock() 함수와 동작이 같습니다.
그래서 spin_lock_irqsave() 함수에서 호출하는 처리 흐름도 spin_lock() 함수와 거의 유사합니다. 다양한 아키텍처에서 spin_lock_irqsave() 함수를 쓸 수 있게 인라인 함수를 호출하는 과정이 비슷합니다. spin_lock_irqsave() 함수가 호출하는 함수 목록과 함수 위치는 다음과 같습니다.
함수 이름 함수 위치
spin_lock_irqsave() include/linux/spinlock.h
_raw_spin_lock_irqsave() kernel/locking/spinlock.c
__raw_spin_lock_irqsave() include/linux/spinlock_api_smp.h
do_raw_spin_lock() include/linux/spinlock.h
arch_spin_unlock() arch/arm/include/asm/spinlock.h
위 테이블 함수 목록에서 spin_lock() 함수 내에서 호출되는 do_raw_spin_lock() 함수와 arch_spin_lock() 함수가 보입니다. 이 정보로 spin_unlock_irqrestore() 함수는 스핀락 동작 관점으로 spin_lock() 함수와 세부 동작이 같음을 알 수 있습니다.
그러면 spin_lock_irq() 함수 대비 spin_lock_irqsave() 함수에서 다른 동작을 하는 코드는 어디일까요? 정답은 __raw_spin_lock_irq() 함수입니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/spinlock_api_smp.h]
01 static inline unsigned long __raw_spin_lock_irqsave(raw_spinlock_t *lock)
02 {
03 unsigned long flags;
04
05 local_irq_save(flags);
06 preempt_disable();
07 spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
08
09 #ifdef CONFIG_LOCKDEP
10 LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
11 #else
12 do_raw_spin_lock_flags(lock, &flags);
13 #endif
14 return flags;
15}
03~05번째 줄 코드를 제외하고는 __raw_spin_lock_irq() 함수와 구현부가 같습니다.
__raw_spin_lock_irq() 함수를 보면서 이 차이점을 확인해볼까요?
https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/spinlock_api_smp.h
01 static inline void __raw_spin_lock_irq(raw_spinlock_t *lock)
02 {
03 local_irq_disable();
04 preempt_disable();
05 spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
06 LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
07 }
__raw_spin_lock_irqsave() 함수 05번째 줄 코드를 보면 local_irq_disable() 함수 대신 local_irq_save() 함수를 호출합니다. 이번에도 local_irq_save() 함수를 호출한 이유는 임계 영역에서 인터럽트가 발생하지 않게 설정하는 것입니다.
그런데 local_irq_save() 함수가 local_irq_disable() 함수와 다른 점은 인터럽트를 비활성화할 때 인터럽트 상태 플래그를 flags로 반환한다는 점입니다.
이어서 local_irq_save() 함수를 분석해볼까요?
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/irqflags.h]
#define local_irq_save(flags) \
do { \
raw_local_irq_save(flags); \
} while (0)
local_irq_save() 함수는 매크로 타입으로 raw_local_irq_save() 함수로 치환됩니다.
이어서 raw_local_irq_save() 함수 코드를 보겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/irqflags.h]
01 #define raw_local_irq_save(flags) \
02 do { \
03 typecheck(unsigned long, flags); \
04 flags = arch_local_irq_save(); \
05 } while (0)
raw_local_irq_save() 함수도 매크로 타입으로 02~05번째 줄 코드로 치환됩니다.
03번째 줄 코드는 입력인자인 flags가 unsigned long 타입인지 확인하는 동작입니다.
이어서 04번째 줄 코드는 arch_local_irq_save() 함수를 실행합니다.
다음으로 arch_local_irq_save() 함수 코드를 보겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/arch/arm/include/asm/irqflags.h]
01 static inline unsigned long arch_local_irq_save(void)
02 {
03 unsigned long flags;
04
05 asm volatile(
06 " mrs %0, " IRQMASK_REG_NAME_R " @ arch_local_irq_save\n"
07 " cpsid i"
08 : "=r" (flags) : : "memory", "cc");
09 return flags;
10 }
arch_local_irq_save() 함수는 인라인 어셈블리 코드로 구현돼 있어습니다. 먼저 문법을 살펴볼까요? 08번째 줄에 보이는 "=r" (flags)는 입력 인자를 의미하며 "mrs %0" 명령어에서 %0 인자로 쓰입니다. 따라서 06번째 코드는 다음과 같이 바꿔서 읽어도 무방합니다.
" mrs flags, " IRQMASK_REG_NAME_R
06번째 줄 코드를 어셈블리 코드에서 보면 다음과 같습니다.
mrs r5,cpsr
인터럽트 상태 정보를 r5 레지스터에 저장하는 동작입니다. r5는 flags 플래그에 저장됩니다.
이어서 07번째 코드는 "cpsid i" ARM 명령어를 실행합니다.
이 “cpsid i" 명령어에 대해 더 자세히 알려면 다음 ARM 사이트를 참고합시다.
[http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0203ik/ch02s08s01.html]
CPSID i ; Disable interrupts and configurable fault handlers (set PRIMASK)
내용을 확인하면 인터럽트 라인을 잠시 비활성화(Disable)하는 명령어입니다.
spin_unlock_irqrestore() 함수 코드 분석하기
spin_unlock_irqrestore() 함수는 spin_unlock_irq() 함수에서 스핀락 기능을 그대로 물려 받았습니다. 또한 스핀락을 해제 한 후 인터럽트를 다시 활성화하는 동작은 같습니다. 하지만 인터럽트를 비활성화할 때 spin_lock_irqsave() 함수를 호출해 저장한 인터럽트 상태 필드를 써서 인터럽트를 활성화하는 동작이 다릅니다.
spin_unlock_irqrestore() 함수를 호출하면 커널 내부에서 실행하는 함수 목록은 다음과 같습니다.
함수 이름 함수 위치
spin_unlock_irqrestore() include/linux/spinlock.h
_raw_spin_unlock_irqrestore() kernel/locking/spinlock.c
__raw_spin_unlock_irqrestore() include/linux/spinlock_api_smp.h
do_raw_spin_unlock() include/linux/spinlock.h
arch_spin_unlock() arch/arm/include/asm/spinlock.h
위 테이블 함수 목록에서 spin_unlock() 함수 내에서 호출되는 do_raw_spin_unlock() 함수와 arch_spin_unlock() 함수가 보입니다. 이 정보로 spin_unlock_irqrestore() 함수는 스핀락 동작 관점으로 spin_unlock() 함수와 세부 동작이 같음을 알 수 있습니다.
위 함수 목록 중 __raw_spin_unlock_irq() 함수 코드를 보겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/spinlock_api_smp.h]
01 static inline void __raw_spin_unlock_irqrestore(raw_spinlock_t *lock,
02 unsigned long flags)
03 {
04 spin_release(&lock->dep_map, 1, _RET_IP_);
05 do_raw_spin_unlock(lock);
06 local_irq_restore(flags);
07 preempt_enable();
08 }
05번째 줄 코드와 같이 do_raw_spin_unlock() 함수를 호출해 스핀락을 해제합니다.
이후 06번째 줄 코드와 같이 local_irq_restore() 함수를 호출해 해당 인터럽트 라인을 다시 활성화합니다.
이어서 local_irq_restore() 함수 코드를 볼까요?
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/irqflags.h]
#define local_irq_restore(flags) do { raw_local_irq_restore(flags); } while (0)
local_irq_restore() 함수는 매크로 포멧으로 raw_local_irq_restore() 함수로 치환됩니다.
이어서 raw_local_irq_restore() 함수를 보겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/include/linux/irqflags.h]
01 #define raw_local_irq_restore(flags) \
02 do { \
03 typecheck(unsigned long, flags); \
04 arch_local_irq_restore(flags); \
05 } while (0)
raw_local_irq_restore() 함수도 매크로 타입으로 02~05번째 줄 코드로 치환됩니다.
03번째 줄 코드는 입력인자인 flags가 unsigned long 타입인지 확인하는 동작입니다.
이어서 04번째 줄 코드는 arch_local_irq_restore() 함수를 실행합니다.
마지막으로 arch_local_irq_restore() 함수를 보겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.19.30/source/arch/arm/include/asm/irqflags.h]
static inline void arch_local_irq_restore(unsigned long flags)
{
asm volatile(
" msr " IRQMASK_REG_NAME_W ", %0 @ local_irq_restore"
:
: "r" (flags)
: "memory", "cc");
}
arch_local_irq_restore() 함수 flags 인자로 인터럽트를 활성화하는 동작입니다.
여기까지 spin_lock_irqsave()/spin_lock_irqrestore() 함수 코드를 spin_lock_irq()/spin_unlock_irq() 함수와 차이점을 비교하면서 분석했습니다.
코드 분석으로 다음 내용을 알게 됐습니다.
spin_lock_irqsave() 함수는 스핀락 관점으로 spin_lock() 함수와 spin_lock_irq() 함수와 동작이 같음
spin_lock_irqsave() 함수는 인터럽트를 비활성화 때 인터럽트 플래그 정보를 반환함
* 유튜브 강의 동영상도 있으니 같이 들으면 좋습니다.
"혹시 궁금한 점이 있으면 댓글로 질문 남겨주세요. 아는 한 성실히 답변 올려드리겠습니다!"
Thanks,
Austin Kim(austindh.kim@gmail.com)
#Reference(커널 동기화)
커널 동기화 기본 개념 소개
레이스 발생 동작 확인
커널 동기화 기법 소개
스핀락
뮤텍스란
커널 동기화 디버깅
# Reference: For more information on 'Linux Kernel';
디버깅을 통해 배우는 리눅스 커널의 구조와 원리. 1
디버깅을 통해 배우는 리눅스 커널의 구조와 원리. 2
Thanks,
Austin Kim
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