Разработка ядра Linux

Дефекты в ядре могут быть такими же разнообразными, как и дефекты в пользовательских программах. Они возникают по различным причинам и проявляются в разнообразных формах. Дефекты занимают диапазон от явно неправильного кода (например, запись правильного значения в неправильное место) до ошибок синхронизации (например, если не правильно блокируется совместно используемая переменная). Эти дефекты проявляются в любой форме; от плохой производительности до неправильного функционирования и даже до потери данных.

Часто, между тем моментом, когда в ядре возникла ошибка и тем моментом, когда пользователь ее заметил происходит большая цепь событий. Например, разделяемая структура данных, у которой нет счетчика использования может привести к возникновению состояния конкуренции за ресурс (race condition). Если не принять необходимых мер, то один процесс может освободить память, в которой хранится структура, в то время, как другой процесс может эту структуру все еще использовать. Спустя некоторое время второй процесс может обратиться к этим данным, что в свою очередь может привести к попытке разыменования указателя со значением NULL, если будут считаны случайные данные ("мусор"), или вообще не привести ни к чему плохому (если данные в соответствующей области памяти еще не были перезаписаны). Разыменование указателя со значением NULL приводит к выводу сообщения "oops", в то время, как случайный "мусор" может привести к потере данных (и соответственно к неправильному функционированию, или опять же к выводу сообщения "oops", но уже по другом поводу). Пользователь же заметит только неправильное функционирование или сообщение "oops". Разработчик ядра при этом должен пойти но обратному пути: исходя из ошибки определить, что к данным было обращение после того, как память с этими данными была освобождена, что это произошло в результате возникновения конкуренции за ресурс и исправить ошибку путем правильного учета количества ссылок на совместно используемую структуру данных. Для этого также вероятно потребуется применение блокировок.

Отладка ядра может показаться сложным делом, тем не менее, ядро не особо отличается от других больших программных проектов. У ядра есть свои уникальные особенности, такие как ограничения связанные со временем выполнения участков кода, возможности возникновения состояний конкуренции (race) — как результат параллельного выполнения множества потоков в ядре. Можно дать стопроцентную гарантию, что если приложить некоторые усилия и понимание, то проблемы ядра можно с успехом находить и решать (и даже, возможно, получать удовольствие от успешного преодоления трудностей).

Функция printk()

Функция форматированного вывода сообщений printk() работает аналогично библиотечной функции printf() языка С. Действительно в этой книге до этого момента мы не видели никаких существенных отличий в ее использовании. Для большинства задач это именно так: функция printk() — это просто функция ядра, выполняющая форматированный вывод сообщений. Однако, некоторые различия все же имеются.

Устойчивость функции printk()

Одно из проверенных и часто используемых свойств функции printk() — это ее устойчивость. Функцию printk() можно вызывать практически в любое время и в любом месте ядра. Её можно вызывать из контекста прерывания и из контекста процесса. Её можно вызывать во время удержания блокировки. Её можно вызывать одновременно на нескольких процессорах и она не требует при этом удерживать какие-нибудь блокировки.

Эта функция очень устойчива, и это очень важно, потому что полезность функции printk() базируется на том факте, что она всегда доступна и всегда работает.

Неустойчивость функции printk()

Слабое место у функции printk() в плане устойчивости все же существует. Её нельзя использовать до некоторого момента при загрузки ядра, пока консоль еще не инициализирована. Действительно, если нет консоли, то куда будут выводится сообщения?

Обычно это не проблема, если не нужно выполнять отладку кода, который выполняется на очень ранних стадиях процесса загрузки (например, функции setup_arch(), которая выполняет инициализацию специфичную для аппаратной платформы). Отладка такого рода — настоящая задача: отсутствие каких-либо способов вывода сообщений, а только проблема в полном составе.

В таких ситуациях тоже есть некоторые обнадеживающие моменты, но их не много. Настоящие хакеры, которые работают с аппаратурой на таком низком уровне, для связи с внешним миром используют аппаратное обеспечение соответствующей платформы, которое всегда работает (например, последовательный порт). Поверьте, что у большинства людей такая работа не вызовет радости. Для одних аппаратных платформ такое решение работает, для других платформ (включая платформу i386) существуют заплаты кода, которые тоже позволяют сэкономить время.