5.2. lock_kernel()

5.2.1. Lock이 왜 필요하지?

리눅스는 CPU를 여러 개 가진 시스템에서도 실행되고 이를 지원하고 있다. 만약 여러 개의 CPU가 동시에 같은 변수의 값을 조정하고 읽는 경우가 생긴다면 어떻게 되겠는가? 아래의 간단한 예를 보면서 얘기해 보자.

very_important_count++;

두개의 CPU가 동시에 같은 코드를 실행했다면 아래와 같은 표 처럼 실행되야 맞다고 가정해보자.

그러나 이건 아마도 이런 식으로 실행될 수도 있다.

결과 적으로 예상은 Instance1이 실행됐을 때 값이 6이되고 Instance2가 실행됐을 때 7이 되길 바란 것이지만 표 5-2 처럼 서로 실행이 중첩되버리면 결과 값이 6으로 엉망이 될 수도 있다.

이런 일을 막기 위해 보통 락(lock)이란 것을 쓰는데 쉽게 말해 서로 중첩되서 실행되지 않도록 보장 하는 것이라고 이해하면 된다.

시스템을 초기화 하는 동안에 이런 일이 발생하면 시스템 초기화는 엉망이 되고 커널은 제대로 부팅할 수 없게 된다. 그래서 초기화 동안 락을 걸고 나중에 초기화가 다 끝나면 락을 풀어주게 된다.

5.2.2. Lock - 기초적 설명

멀티태스킹 OS에서 한 변수를 여러 개의 프로세스가 공유하고 이를 동시에 사용한다면 여러 프로세스 간의 연계된 시간에 따라 이 변수를 사용하는 것이 중첩되는데 이를 보통 레이스 컨디션(race condition) 이라고 부른다. 그리고 동시 발생 문제를 다루는 코드를 크리티컬 리전(critical region)이라 부른다. 리눅스는 SMP 상에서 동작하므로 이런 문제가 커널 디자인에 있어서 중요한 문제중 하나다.

위에서 말한 동시 접근과 같은 문제의 해결은 락(lock)을 이용하는 것이고 락은 한번에 하나의 접근만이 크리티컬 리전에 들어가도록 해서 해결한다.

락엔 두가지 타입이 있다. 하나는 스핀락(spinlock)으로 include/asm/spinlock.h에 정의되어 있다. 이 타입은 싱글홀더락(single-holder lock)이고 매우 작고 빠르고 아무데서나 사용할 수 있다.

두번째 타입은 세마포어로 include/asm/semaphore.h에 정의되어 있다. 세마포어는 보통 싱글홀더락 (mutex)으로 사용되지만 한번에 여러 홀더를 가질 수 있다. 사용자가 세마포어를 얻지 못하면 사용자의 프로세스는 큐에 넣어지고 세마포어가 사용 가능해질 때 깨어나게된다. 이 말은 프로세스가 기다리는 동안 CPU가 다른 뭔가를 한다는 것이다. 그러나 많은 경우에 그냥 기다릴 수 없을 때가 있다. 이 경우엔 스핀락을 대신 사용해야한다.

커널을 설정할 때 SMP 지원을 체크하지 않았다면 스핀락은 존재하지 않게 된다. 이런 결정은 아무도 동시에 실행하지 않고 락을 걸 이유가 없는 경우 아주 좋은 커널 디자인이라 말할 수 있다. 세마포어는 언제나 존재하는데 이는 사용자 프로세스간에 동기를 맞추기위해 필요하기 때문이다.

5.2.3. i386, ARM의 스핀락

i386 계열은 SMP 시스템이 존재 하기 때문에 스핀락이 정의되어 있고 사용되지만 ARM의 경우 SMP 시스템이 없기 때문에 스핀락이 정의되어 있지 않다. 그래서 ARM의 asm/smplock.h는 기본으로 정의된 것이 사용된다.

기본 정의된 스핀락은 include/linux/spinlock.h에 다음과 같이 정의되어 있다.

#define spin_lock(lock)	(void)(lock) /* Not "unused variable". */

이에 반해 i386은 include/asm-i386/spinlock.h에 다음과 같이 정의되어 있다.

static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
{
#if SPINLOCK_DEBUG
	__label__ here;
here:
	if (lock->magic != SPINLOCK_MAGIC) {
		printk("eip: %p\n", &&here);
		BUG();
	}
#endif
(1)
	__asm__ __volatile__(
		spin_lock_string
		:"=m" (lock->lock) : : "memory");
}