유저 프로세스 실행 도중 인터럽트가 발생하면 __irq_usr 이란 레이블에서 선점 스케줄링 조건을 점검합니다. 마찬가지로 커널 모드에서 어떤 코드가 실행 도중 인터럽트가 발생할 때 선점 스케줄링(Preemptive Scheduling)을 시도합니다.
이번 소절에서 커널 모드에서 인터럽트가 발생했을때 선점 스케줄링 세부 동작을 살펴봅니다.
다음 블록 다이어그램을 같이 봅시다.
커널 모드에서 코드 실행 중 인터럽트가 발생하면 __irq_svc 이란 인터럽트 벡터로 프로그램 카운터를 브랜치합니다.
위 블록 다이어그램은 커널 모드에서 프로세스가 실행 도중 선점 스케줄링되는 흐름도입니다.
커널 모드에서 선점 스케줄링은 다음 과정으로 실행합니다.
1. 인터럽트가 발생해서 __irq_svc 인터럽트 벡터 실행
2. 인터럽트 핸들러 실행으로 인터럽트 핸들링 마무리
3+4. __irq_svc 레이블에서 프로세스 struct thread_info 필드가 2가지 조건을 만족하면
svc_preempt 레이블로 브랜치
- preempt_count: 0
- flags: _TIF_NEED_RESCHED
5. preempt_schedule_irq() 함수와 __schedule() 함수 순서로 호출해서 스케줄링 실행
커널 모드에서 인터럽트가 발생했을 때 선점 스케줄링 과정을 리뷰했으니 이제 코드 분석으로 세부 동작을 알아봅시다.
먼저 볼 코드는 __irq_svc 레이블입니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.49/source/arch/arm/kernel/entry-armv.S]
1 __irq_svc:
2 svc_entry
3 irq_handler
4
5 #ifdef CONFIG_PREEMPT
6 ldr r8, [tsk, #TI_PREEMPT] @ get preempt count
7 ldr r0, [tsk, #TI_FLAGS] @ get flags
8 teq r8, #0 @ if preempt count != 0
9 movne r0, #0 @ force flags to 0
10 tst r0, #_TIF_NEED_RESCHED
11 blne svc_preempt
#endif
12 svc_exit r5, irq = 1 @ return from exception
사실 라즈베리파이에서 CONFIG_PREEMPT 컨피그가 꺼져 있어 5~11 번째 줄 코드는 컴파일되지 않습니다. 커널 코드가 실행 도중 인터럽트가 발생했을 때 선점 스케줄링을 시도하지 않겠다는 의도입니다.
그런데 대부분 리눅스 상용 시스템에서 CONFIG_PREEMPT 컨피그가 켜져 있습니다. 따라서 이번 소절에선 CONFIG_PREEMPT 가 켜져 있는 코드 기준으로 분석을 진행하겠습니다.
6~7번째 줄 코드부터 봅시다.
6 ldr r8, [tsk, #TI_PREEMPT] @ get preempt count
7 ldr r0, [tsk, #TI_FLAGS] @ get flags
프로세스 struct thread_info 구조체 preempt_count필드를 r8 레지스터 그리고 flags 필드를 r0레지스터에 저장합니다.
이번에 8~9번째 줄 코드를 봅시다.
8 teq r8, #0 @ if preempt count != 0
9 movne r0, #0 @ force flags to 0
r8에는 프로세스 struct thread_info preempt_count 필드가 저장돼 있습니다. r8 레지스터가 값이 0이면 r0 레지스터를 0으로 강제로 바꿔 버립니다.
만약 r8이 0이 아니면 r0 레지스터는 값을 변경하지 않습니다.
r8이 thread_info_preempt_count_r8이고 r0이 thread_info_flags_r0이면 다음과 같이 어셈블리 코드를 C 언어 형태로 바꿀 수 있습니다.
if (thread_info_preempt_count_r8 == 0 ) {
if (thread_info_flags_r0 == _TIF_NEED_RESCHED) {
svc_preempt();
}
else {
thread_info_flags_r0 = 0;
}
struct thread_info 구조체 기준으로 preempt_count 필드가 0이어야 flags 필드가 _TIF_NEED_RESCHED(2) 인지 점검하는 것입니다.
정리하면 현재 실행 중인 프로세스 struct thread_info 필드가 다음 조건을 만족하면 선점 스케줄링을 실행하는 것입니다.
1. preempt_count가 0
2. flags가 _TIF_NEED_RESCHED(2)
svc_preempt 레이블 코드를 봅시다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.49/source/arch/arm/kernel/entry-armv.S]
1 svc_preempt:
2 mov r8, lr
3 1: bl preempt_schedule_irq @ irq en/disable is done inside
svc_preempt 레이블을 특별한 동작을 수행하지 않습니다. 3번째 줄 코드와 같이 preempt_schedule_irq() 함수를 호출합니다.
이어서 preempt_schedule_irq() 함수 코드를 분석하겠습니다.
[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/kernel/sched/core.c#L3596]
1 asmlinkage __visible void __sched preempt_schedule_irq(void)
2 {
3 enum ctx_state prev_state;
4
5 /* Catch callers which need to be fixed */
6 BUG_ON(preempt_count() || !irqs_disabled());
7
8 prev_state = exception_enter();
9
10 do {
11 preempt_disable();
12 local_irq_enable();
13 __schedule(true);
14 local_irq_disable();
15 sched_preempt_enable_no_resched();
16 } while (need_resched());
preempt_schedule_irq() 함수를 보면 13번째 줄 코드에서 __schedule() 함수를 호출합니다.
선점 스케줄링 시 콜스택 소개
이번에는 Trace32 프로그램으로 이번 소절에서 분석한 함수들의 호출 흐름을 소개합니다.
-000|__schedule()
-001|preempt_schedule_irq()
-002|svc_preempt(asm)
-003|__irq_svc(asm)
-->|exception
-004|blk_flush_plug_list()
-005|current_thread_info(inline)
-005|blk_finish_plug()
-006|ext4_writepages()
-007|__filemap_fdatawrite_range()
-008|filemap_write_and_wait_range()
-009|ext4_sync_file()
-010|vfs_fsync()
-011|fdput(inline)
-011|do_fsync()
-012|ret_fast_syscall(asm)
__schedule() 함수에 브레이크 포인트를 걸고 확인한 콜스택입니다. 콜스택으로 인터럽트 발생 후 선점 스케줄링을 시도합니다.
004번째 콜스택을 보면 blk_flush_plug_list() 함수 실행 중이었습니다.
003번째 콜스택에 __irq_svc() 이란 레이블이 보이니 인터럽트가 발생했음을 알 수 있습니다.
이후 svc_preempt() -> preempt_schedule_irq() -> __schedule() 흐름으로 선점 스케줄링을 실행합니다.
이번엔 다른 리눅스 시스템에서 커널 모드에서 선점 스케줄링을 실행할 때 확보한 ftrace 콜스택 로그를 소개합니다.
01 sh-1359 [000] d.h1 125.454337: irq_handler_entry: irq=18 name=arch_timer
02 sh-1359 [000] dnh1 125.454363: irq_handler_exit: irq=18 ret=handled
03 sh-1359 [000] dn.1 125.454368: preempt_schedule_irq+0x10/0x7c <-svc_preempt+0x8/0x18
04 sh-1359 [000] dn.1 125.454397: <stack trace>
05 => preempt_schedule_irq+0x14/0x7c
06 => svc_preempt+0x8/0x18
07 => user_path_at_empty+0x50/0x58
08 => vfs_fstatat+0x60/0xa0
09 => vfs_stat+0x28/0x2c
10 => SyS_stat64+0x24/0x40
11 => ret_fast_syscall+0x0/0x3c
02 번째 메시지를 보면 인터럽트 핸들링을 마무리한 시점임을 알 수 있습니다.
02 sh-1359 [000] dnh1 125.454363: irq_handler_exit: irq=18 ret=handled
이 후 이번 소절에서 분석한 함수를 볼 수 있습니다.
함수 호출 방향은 11번 째 줄에서 03 번째 줄입니다.
이 콜스택에서 실행 중에 선점 당하는 코드는 다음과 같습니다.
06 => svc_preempt+0x8/0x18
07 => user_path_at_empty+0x50/0x58
user_path_at_empty() 함수 시작 주소 기준으로 +0x50 만큼 떨어진 주소 코드가
실행 도중 선점 스케줄링이 실행했다는 것입니다.
로그 뒤에 숨겨진 세부 정보까지 이끌어내면 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
1. user_path_at_empty+0x50/0x58 코드 실행 중 arch_timer 인터럽트 발생
2. arch_timer 인터럽트 핸들링 마무리
3. __irq_srv 레이블로 다시 복귀
4. sh-1359 프로세스의 struct thread_info 구조체 flags와 preempt_count 필드 점검 후 다음 조건 만족
- flag == _TIF_NEED_RESCHED;
- preempt_count == 0;
5. svc_preempt 레이블 실행
커널 코드 분석으로 선점 스케줄링에 대해 파악하고 나니 로그가 쉽게 보이는 것 같습니다.
이번 소절에서 분석한 내용을 정리합시다.
1. 인터럽트 발생(커널 모드에서 실행 중인 프로세스)
2. 인터럽트 핸들러 실행
3. 프로세스 struct thread_info 구조체 preempt_count가 0이고 _TIF_NEED_RESCHED 이면 svc_preempt 레이블 실행
4. svc_preempt 레이블에서 preempt_schedule_irq() 함수를 호출해서 __schedule() 함수 호출
3번 단계가 선점 스케줄링을 실행할 조건을 점검하는 동작입니다.
"혹시 궁금한 점이 있으면 댓글로 질문 남겨주세요. 아는 한 성실히 답변 올려드리겠습니다!"
Thanks,
Austin Kim(austindh.kim@gmail.com)
Reference(프로세스 스케줄링)
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어떤 함수가 프로세스 상태를 바꿀까?
스케줄러 클래스
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