읽는 지도
block/storage 계층은 page cache나 filesystem 요청을 device queue scheduling 문제로 바꾼다. bio와 request의 lifetime, merge policy, hardware queue mapping을 구분해서 읽어야 한다.
함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.
정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.
왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.
원본 코드 좌표
Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일
Linux 6.18.37 LTS: block/blk-mq.c
Linux 6.18.37 LTS: block/blk-core.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/blk-mq.h설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.
GitHub 원본:
대표 코드
blk_mq_submit_bio
bio->bi_ioprio = get_current_ioprio();
blkcg_set_ioprio(bio);
}
/**
* blk_mq_submit_bio - Create and send a request to block device.
* @bio: Bio pointer.
*
* Builds up a request structure from @q and @bio and send to the device. The
* request may not be queued directly to hardware if:
* * This request can be merged with another one
* * We want to place request at plug queue for possible future merging
* * There is an IO scheduler active at this queue
*
* It will not queue the request if there is an error with the bio, or at the
* request creation.
*/
void blk_mq_submit_bio(struct bio *bio)
{
struct request_queue *q = bdev_get_queue(bio->bi_bdev);
struct blk_plug *plug = blk_mq_plug(bio);
const int is_sync = op_is_sync(bio->bi_opf);
struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
struct request *rq;
unsigned int nr_segs = 1;
blk_status_t ret;
bio = blk_queue_bounce(bio, q);
if (bio_may_exceed_limits(bio, &q->limits)) {
bio = __bio_split_to_limits(bio, &q->limits, &nr_segs);
if (!bio)
return;
}
if (!bio_integrity_prep(bio))
return;
bio_set_ioprio(bio);
rq = blk_mq_get_cached_request(q, plug, &bio, nr_segs);읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
blk_mq_run_hw_queue
mutex_lock(&q->mq_freeze_lock);
if (++q->mq_freeze_depth == 1) {
percpu_ref_kill(&q->q_usage_counter);
mutex_unlock(&q->mq_freeze_lock);
if (queue_is_mq(q))
blk_mq_run_hw_queues(q, false);
} else {
mutex_unlock(&q->mq_freeze_lock);
}
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_freeze_queue_start);
void blk_mq_freeze_queue_wait(struct request_queue *q)
{
wait_event(q->mq_freeze_wq, percpu_ref_is_zero(&q->q_usage_counter));
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_mq_freeze_queue_wait);
int blk_mq_freeze_queue_wait_timeout(struct request_queue *q,
unsigned long timeout)
{
return wait_event_timeout(q->mq_freeze_wq,
percpu_ref_is_zero(&q->q_usage_counter),
timeout);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_mq_freeze_queue_wait_timeout);
/*
* Guarantee no request is in use, so we can change any data structure of
* the queue afterward.
*/
void blk_freeze_queue(struct request_queue *q)
{
/*
* In the !blk_mq case we are only calling this to kill the
* q_usage_counter, otherwise this increases the freeze depth
* and waits for it to return to zero. For this reason there is
* no blk_unfreeze_queue(), and blk_freeze_queue() is not
* exported to drivers as the only user for unfreeze is blk_mq.
*/읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
함수별 독해
bio를 request로 묶고 blk-mq software/hardware queue를 통해 driver dispatch와 completion을 관리한다.
이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.
각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.
1. blk_mq_submit_bio
blk_mq_submit_bio 주변에서는 request_queue를 중심으로 본다. 이 필드는 device limits and policy 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 bio submitted 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 merge 후보 생성을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: queue freeze/quiesce 상태를 무시함
2. blk_mq_run_hw_queue
blk_mq_run_hw_queue 주변에서는 request를 중심으로 본다. 이 필드는 driver-visible command 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 request allocated 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 tag 확보을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: tag starvation과 device latency를 섞음
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 검증 질문 |
|---|---|---|---|
| blk_mq_submit_bio | request_queue, caller context, subsystem 전제 조건 | bio submitted: merge 후보 생성 | queue freeze/quiesce 상태를 무시함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
| blk_mq_run_hw_queue | request, caller context, subsystem 전제 조건 | request allocated: tag 확보 | tag starvation과 device latency를 섞음 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
구조체 / 필드 해설
여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.
필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.
| 필드 | 읽는 법 | 확인 |
|---|---|---|
| request_queue | device limits and policy | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| request | driver-visible command | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| blk_mq_ctx | per-cpu software queue | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| blk_mq_hw_ctx | hardware dispatch queue | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
상태 전이 그림
상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.
상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| bio submitted | merge 후보 생성 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| request allocated | tag 확보 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| dispatch | driver queue로 이동 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| complete | upper callback으로 복귀 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
불변조건 / 실패 케이스
request queue 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.
중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.
embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.
queue freeze/quiesce 상태를 무시함
tag starvation과 device latency를 섞음
software queue와 hardware queue를 같은 줄로 봄
계측 / 검증
계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.
| 도구 | 보는 것 | 해석 |
|---|---|---|
| block_rq_issue/complete | request queue 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| cat /sys/block/*/mq | request queue 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| blktrace | request queue 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| iostat -x | request queue 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe연구 질문
- request queue 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
- request queue 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
- 실험으로 확인한다면 'queue freeze/quiesce 상태를 무시함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
- 실험으로 확인한다면 'tag starvation과 device latency를 섞음' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?