리눅스 커널 락 종류 (3/5)

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이번 포스팅에서는 리눅스 커널 락의 세 번째인 세마포어에 대해 기술한다. 리눅스의 세마포어(semaphore)는 휴면하는 락이라고 생각하면 된다. 태스크가 이미 사용 중인 세마포어를 얻으려고 하면, 세마포어는 해당 태스크를 대기큐에 넣고 휴면 상태로 만든다. 그 다음 프로세서는 자유롭게 다른 코드를 실행한다. 세마포어가 다시 사용 가능해지면 대기큐의 태스크 하나를 깨우고 이 태스크가 세마포어를 사용하게 된다.

세마포어는 아래와 같은 경우에 적합하다.

태스크, 즉 프로세스의 상태는 TASK_RUNNING, TASK_INTERRUPTIBLE, TASK_UNINTERRUPTIBLE 로 나눌 수 있으며, 이 중 TASK_INTERRUPTIBLE 상태가 프로세스가 휴면에 진입한 상태로 프로세스를 깨우면 다시 TASK_RUNNING(실행 대기) 상태로 변경된다. 실행 대기 중인 프로세스는 CPU에 attach 되면 실행되며 이 때의 상태값 또한 TASK_RUNNING이라는 점에 유의하자.

세마포어 특징 🔗

  • 락을 기다리는 태스크가 휴면 상태(TASK_INTERRUPTIBLE)로 전환되므로, 세마포어는 오랫동안 락을 사용하는 경우에 적합하다.
  • 반대로 락 사용 시간이 짧은 경우에는 휴면 상태 전환 및 대기큐 관리, 태스크 깨우기 등의 부가 작업을 처리하는 시간이 락 사용을 넘어설 수 있기 때문에 세마포어 사용이 적절하지 않다.
  • 락이 사용 중이면 실행 스레드가 휴면 상태로 전환되기 때문에 스케쥴링이 불가능한 인터럽트 컨텍스트가 아닌 프로세스 컨텍스트에서만 세마포어를 사용할 수 있다.
  • 다른 프로세스가 같은 세마포어를 얻으려 하는 경우라도 데드락에 빠지는 일이 발생하지 않으므로 락을 잡으려는 다른 프로세스도 휴면 상태로 전환되므로 결국은 실행이 계속된다.
  • 세마포어를 얻기 위해서는 휴면 상태로 전환될 수 있는데, 스핀락이 걸린 상태에서는 휴면 상태가 될 수 없으므로 세마포어를 얻으려고 할 때에는 스핀락이 걸려 있으면 안된다.

즉, 간단하게 정리하면, 세마포어를 사용하는 대부분의 경우는 다른 락을 사용할 수 없는 상황이다. 동기화를 사용하는 사용자 공간 코드와 마찬가지로 휴면이 필요한 상황이라면, 사용할 수 있는 방법은 세마포어 뿐이다. 만일, 세마포어와 스핀락 사이에서 선택을 해야하는 상황이라면 락을 쥐고 있는 시간으로 결정해야 하며, 스핀락과 달리 세마포어는 커널 선점을 비활성화시키지 않기 때문에 세마포어를 잡고 있는 코드 또한 선점될 수 있다.

세마포어 종류 🔗

세마포어는 아래와 같은 종류가 있다.

  • 카운팅 세마포어
  • 바이너리 세마포어: 카운트 값이 최대 1이 되는 카운팅 세마포어
  • 리더-라이터 세마포어

리더-라이터 세마포어 🔗

#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/device.h> #include <asm/uaccess.h> #include <linux/semaphore.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/delay.h>

#define FIRST_MINOR 0 #define MINOR_CNT 1

static dev_t dev; static struct cdev c_dev; static struct class *cl; static struct task_struct *task; static struct rw_semaphore rwsem;

int open(struct inode *inode, struct file *filp) { printk(KERN_INFO “Inside open\n”); task = current; return 0; }

int release(struct inode *inode, struct file *filp) { printk(KERN_INFO “Inside close\n”); return 0; }

ssize_t read(struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp) { printk(“Inside read\n”); down_read(&rwsem); printk(KERN_INFO “Got the Semaphore in Read\n”); printk(“Going to Sleep\n”); ssleep(30); up_read(&rwsem); return 0; }

ssize_t write(struct file *filp, const char *buff, size_t count, loff_t *offp) { printk(KERN_INFO “Inside write. Waiting for Semaphore…\n”); down_write(&rwsem); printk(KERN_INFO “Got the Semaphore in Write\n”); up_write(&rwsem); return count; }

struct file_operations fops = { read: read, write: write, open: open, release: release };

int rw_sem_init(void) { int ret; struct device *dev_ret;

if ((ret = alloc_chrdev_region(&dev, FIRST_MINOR, MINOR_CNT, "rws")) < 0) {
    return ret;
}
printk("Major Nr: %d\n", MAJOR(dev));

cdev_init(&c_dev, &fops);

if ((ret = cdev_add(&c_dev, dev, MINOR_CNT)) < 0) {
    unregister_chrdev_region(dev, MINOR_CNT);
    return ret;
}

if (IS_ERR(cl = class_create(THIS_MODULE, "chardrv"))) {
    cdev_del(&c_dev);
    unregister_chrdev_region(dev, MINOR_CNT);
    return PTR_ERR(cl);
}

if (IS_ERR(dev_ret = device_create(cl, NULL, dev, NULL, "mychar%d", 0))) {
    class_destroy(cl);
    cdev_del(&c_dev);
    unregister_chrdev_region(dev, MINOR_CNT);
    return PTR_ERR(dev_ret);
}

init_rwsem(&rwsem);

return 0;

}

void rw_sem_cleanup(void) { printk(“Clean up semaphores…\n”);

device_destroy(cl, dev);
class_destroy(cl);
cdev_del(&c_dev);
unregister_chrdev_region(dev, MINOR_CNT);

}

module_init(rw_sem_init); module_exit(rw_sem_cleanup);

MODULE_LICENSE(“GPL”); MODULE_AUTHOR(“Sukbeom Kim - code from SysPlay Workshops”); MODULE_DESCRIPTION(“Reader Writer Semaphore Demo”);

semaphore