xref: /linux/Documentation/translations/it_IT/locking/lockdep-design.rst (revision 1f20a5769446a1acae67ac9e63d07a594829a789)
1.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3.. include:: ../disclaimer-ita.rst
4
5Validatore di sincronizzazione durante l'esecuzione
6===================================================
7
8Classi di blocchi
9-----------------
10
11L'oggetto su cui il validatore lavora è una "classe" di blocchi.
12
13Una classe di blocchi è un gruppo di blocchi che seguono le stesse regole di
14sincronizzazione, anche quando i blocchi potrebbero avere più istanze (anche
15decine di migliaia). Per esempio un blocco nella struttura inode è una classe,
16mentre ogni inode sarà un'istanza di questa classe di blocco.
17
18Il validatore traccia lo "stato d'uso" di una classe di blocchi e le sue
19dipendenze con altre classi. L'uso di un blocco indica come quel blocco viene
20usato rispetto al suo contesto d'interruzione, mentre le dipendenze di un blocco
21possono essere interpretate come il loro ordine; per esempio L1 -> L2 suggerisce
22che un processo cerca di acquisire L2 mentre già trattiene L1. Dal punto di
23vista di lockdep, i due blocchi (L1 ed L2) non sono per forza correlati: quella
24dipendenza indica solamente l'ordine in cui sono successe le cose. Il validatore
25verifica permanentemente la correttezza dell'uso dei blocchi e delle loro
26dipendenze, altrimenti ritornerà un errore.
27
28Il comportamento di una classe di blocchi viene costruito dall'insieme delle sue
29istanze. Una classe di blocco viene registrata alla creazione della sua prima
30istanza, mentre tutte le successive istanze verranno mappate; dunque, il loro
31uso e le loro dipendenze contribuiranno a costruire quello della classe. Una
32classe di blocco non sparisce quando sparisce una sua istanza, ma può essere
33rimossa quando il suo spazio in memoria viene reclamato. Per esempio, questo
34succede quando si rimuove un modulo, o quando una *workqueue* viene eliminata.
35
36Stato
37-----
38
39Il validatore traccia l'uso cronologico delle classi di blocchi e ne divide
40l'uso in categorie (4 USI * n STATI + 1).
41
42I quattro USI possono essere:
43
44- 'sempre trattenuto nel contesto <STATO>'
45- 'sempre trattenuto come blocco di lettura nel contesto <STATO>'
46- 'sempre trattenuto con <STATO> abilitato'
47- 'sempre trattenuto come blocco di lettura con <STATO> abilitato'
48
49gli `n` STATI sono codificati in kernel/locking/lockdep_states.h, ad oggi
50includono:
51
52- hardirq
53- softirq
54
55infine l'ultima categoria è:
56
57- 'sempre trattenuto'                                  [ == !unused        ]
58
59Quando vengono violate le regole di sincronizzazione, questi bit di utilizzo
60vengono presentati nei messaggi di errore di sincronizzazione, fra parentesi
61graffe, per un totale di `2 * n` (`n`: bit STATO). Un esempio inventato::
62
63   modprobe/2287 is trying to acquire lock:
64    (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
65
66   but task is already holding lock:
67    (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
68
69Per un dato blocco, da sinistra verso destra, la posizione del bit indica l'uso
70del blocco e di un eventuale blocco di lettura, per ognuno degli `n` STATI elencati
71precedentemente. Il carattere mostrato per ogni bit indica:
72
73   ===  ===========================================================================
74   '.'  acquisito con interruzioni disabilitate fuori da un contesto d'interruzione
75   '-'  acquisito in contesto d'interruzione
76   '+'  acquisito con interruzioni abilitate
77   '?'  acquisito in contesto d'interruzione con interruzioni abilitate
78   ===  ===========================================================================
79
80Il seguente esempio mostra i bit::
81
82    (&sio_locks[i].lock){-.-.}, at: [<c02867fd>] mutex_lock+0x21/0x24
83                         ||||
84                         ||| \-> softirq disabilitati e fuori da un contesto di softirq
85                         || \--> acquisito in un contesto di softirq
86                         | \---> hardirq disabilitati e fuori da un contesto di hardirq
87                          \----> acquisito in un contesto di hardirq
88
89Per un dato STATO, che il blocco sia mai stato acquisito in quel contesto di
90STATO, o che lo STATO sia abilitato, ci lascia coi quattro possibili scenari
91mostrati nella seguente tabella. Il carattere associato al bit indica con
92esattezza in quale scenario ci si trova al momento del rapporto.
93
94  +---------------+---------------+------------------+
95  |               | irq abilitati | irq disabilitati |
96  +---------------+---------------+------------------+
97  | sempre in irq |      '?'      |       '-'        |
98  +---------------+---------------+------------------+
99  | mai in irq    |      '+'      |       '.'        |
100  +---------------+---------------+------------------+
101
102Il carattere '-' suggerisce che le interruzioni sono disabilitate perché
103altrimenti verrebbe mostrato il carattere '?'. Una deduzione simile può essere
104fatta anche per '+'
105
106I blocchi inutilizzati (ad esempio i mutex) non possono essere fra le cause di
107un errore.
108
109Regole dello stato per un blocco singolo
110----------------------------------------
111
112Avere un blocco sicuro in interruzioni (*irq-safe*) significa che è sempre stato
113usato in un contesto d'interruzione, mentre un blocco insicuro in interruzioni
114(*irq-unsafe*) significa che è sempre stato acquisito con le interruzioni
115abilitate.
116
117Una classe softirq insicura è automaticamente insicura anche per hardirq. I
118seguenti stati sono mutualmente esclusivi: solo una può essere vero quando viene
119usata una classe di blocco::
120
121 <hardirq-safe> o <hardirq-unsafe>
122 <softirq-safe> o <softirq-unsafe>
123
124Questo perché se un blocco può essere usato in un contesto di interruzioni
125(sicuro in interruzioni), allora non può mai essere acquisito con le
126interruzioni abilitate (insicuro in interruzioni). Altrimenti potrebbe
127verificarsi uno stallo. Per esempio, questo blocco viene acquisito, ma prima di
128essere rilasciato il contesto d'esecuzione viene interrotto nuovamente, e quindi
129si tenterà di acquisirlo nuovamente. Questo porterà ad uno stallo, in
130particolare uno stallo ricorsivo.
131
132Il validatore rileva e riporta gli usi di blocchi che violano queste regole per
133blocchi singoli.
134
135Regole per le dipendenze di blocchi multipli
136--------------------------------------------
137
138La stessa classe di blocco non deve essere acquisita due volte, questo perché
139potrebbe portare ad uno blocco ricorsivo e dunque ad uno stallo.
140
141Inoltre, due blocchi non possono essere trattenuti in ordine inverso::
142
143 <L1> -> <L2>
144 <L2> -> <L1>
145
146perché porterebbe ad uno stallo - chiamato stallo da blocco inverso - in cui si
147cerca di trattenere i due blocchi in un ciclo in cui entrambe i contesti
148aspettano per sempre che l'altro termini. Il validatore è in grado di trovare
149queste dipendenze cicliche di qualsiasi complessità, ovvero nel mezzo ci
150potrebbero essere altre sequenze di blocchi. Il validatore troverà se questi
151blocchi possono essere acquisiti circolarmente.
152
153In aggiunta, le seguenti sequenze di blocco nei contesti indicati non sono
154permesse, indipendentemente da quale che sia la classe di blocco::
155
156   <hardirq-safe>   ->  <hardirq-unsafe>
157   <softirq-safe>   ->  <softirq-unsafe>
158
159La prima regola deriva dal fatto che un blocco sicuro in interruzioni può essere
160trattenuto in un contesto d'interruzione che, per definizione, ha la possibilità
161di interrompere un blocco insicuro in interruzioni; questo porterebbe ad uno
162stallo da blocco inverso. La seconda, analogamente, ci dice che un blocco sicuro
163in interruzioni software potrebbe essere trattenuto in un contesto di
164interruzione software, dunque potrebbe interrompere un blocco insicuro in
165interruzioni software.
166
167Le suddette regole vengono applicate per qualsiasi sequenza di blocchi: quando
168si acquisiscono nuovi blocchi, il validatore verifica se vi è una violazione
169delle regole fra il nuovo blocco e quelli già trattenuti.
170
171Quando una classe di blocco cambia stato, applicheremo le seguenti regole:
172
173- se viene trovato un nuovo blocco sicuro in interruzioni, verificheremo se
174  abbia mai trattenuto dei blocchi insicuri in interruzioni.
175
176- se viene trovato un nuovo blocco sicuro in interruzioni software,
177  verificheremo se abbia trattenuto dei blocchi insicuri in interruzioni
178  software.
179
180- se viene trovato un nuovo blocco insicuro in interruzioni, verificheremo se
181  abbia trattenuto dei blocchi sicuri in interruzioni.
182
183- se viene trovato un nuovo blocco insicuro in interruzioni software,
184  verificheremo se abbia trattenuto dei blocchi sicuri in interruzioni
185  software.
186
187(Di nuovo, questi controlli vengono fatti perché un contesto d'interruzione
188potrebbe interrompere l'esecuzione di qualsiasi blocco insicuro portando ad uno
189stallo; questo anche se lo stallo non si verifica in pratica)
190
191Eccezione: dipendenze annidate sui dati portano a blocchi annidati
192------------------------------------------------------------------
193
194Ci sono alcuni casi in cui il kernel Linux acquisisce più volte la stessa
195istanza di una classe di blocco. Solitamente, questo succede quando esiste una
196gerarchia fra oggetti dello stesso tipo. In questi casi viene ereditato
197implicitamente l'ordine fra i due oggetti (definito dalle proprietà di questa
198gerarchia), ed il kernel tratterrà i blocchi in questo ordine prefissato per
199ognuno degli oggetti.
200
201Un esempio di questa gerarchia di oggetti che producono "blocchi annidati" sono
202i *block-dev* che rappresentano l'intero disco e quelli che rappresentano una
203sua partizione; la partizione è una parte del disco intero, e l'ordine dei
204blocchi sarà corretto fintantoche uno acquisisce il blocco del disco intero e
205poi quello della partizione. Il validatore non rileva automaticamente questo
206ordine implicito, perché queste regole di sincronizzazione non sono statiche.
207
208Per istruire il validatore riguardo a questo uso corretto dei blocchi sono stati
209introdotte nuove primitive per specificare i "livelli di annidamento". Per
210esempio, per i blocchi a mutua esclusione dei *block-dev* si avrebbe una
211chiamata simile a::
212
213  enum bdev_bd_mutex_lock_class
214  {
215       BD_MUTEX_NORMAL,
216       BD_MUTEX_WHOLE,
217       BD_MUTEX_PARTITION
218  };
219
220  mutex_lock_nested(&bdev->bd_contains->bd_mutex, BD_MUTEX_PARTITION);
221
222In questo caso la sincronizzazione viene fatta su un *block-dev* sapendo che si
223tratta di una partizione.
224
225Ai fini della validazione, il validatore lo considererà con una - sotto - classe
226di blocco separata.
227
228Nota: Prestate estrema attenzione che la vostra gerarchia sia corretta quando si
229vogliono usare le primitive _nested(); altrimenti potreste avere sia falsi
230positivi che falsi negativi.
231
232Annotazioni
233-----------
234
235Si possono utilizzare due costrutti per verificare ed annotare se certi blocchi
236devono essere trattenuti: lockdep_assert_held*(&lock) e
237lockdep_*pin_lock(&lock).
238
239Come suggerito dal nome, la famiglia di macro lockdep_assert_held* asseriscono
240che un dato blocco in un dato momento deve essere trattenuto (altrimenti, verrà
241generato un WARN()). Queste vengono usate abbondantemente nel kernel, per
242esempio in kernel/sched/core.c::
243
244  void update_rq_clock(struct rq *rq)
245  {
246	s64 delta;
247
248	lockdep_assert_held(&rq->lock);
249	[...]
250  }
251
252dove aver trattenuto rq->lock è necessario per aggiornare in sicurezza il clock
253rq.
254
255L'altra famiglia di macro è lockdep_*pin_lock(), che a dire il vero viene usata
256solo per rq->lock ATM. Se per caso un blocco non viene trattenuto, queste
257genereranno un WARN(). Questo si rivela particolarmente utile quando si deve
258verificare la correttezza di codice con *callback*, dove livelli superiori
259potrebbero assumere che un blocco rimanga trattenuto, ma livelli inferiori
260potrebbero invece pensare che il blocco possa essere rilasciato e poi
261riacquisito (involontariamente si apre una sezione critica). lockdep_pin_lock()
262restituisce 'struct pin_cookie' che viene usato da lockdep_unpin_lock() per
263verificare che nessuno abbia manomesso il blocco. Per esempio in
264kernel/sched/sched.h abbiamo::
265
266  static inline void rq_pin_lock(struct rq *rq, struct rq_flags *rf)
267  {
268	rf->cookie = lockdep_pin_lock(&rq->lock);
269	[...]
270  }
271
272  static inline void rq_unpin_lock(struct rq *rq, struct rq_flags *rf)
273  {
274	[...]
275	lockdep_unpin_lock(&rq->lock, rf->cookie);
276  }
277
278I commenti riguardo alla sincronizzazione possano fornire informazioni utili,
279tuttavia sono le verifiche in esecuzione effettuate da queste macro ad essere
280vitali per scovare problemi di sincronizzazione, ed inoltre forniscono lo stesso
281livello di informazioni quando si ispeziona il codice. Nel dubbio, preferite
282queste annotazioni!
283
284Dimostrazione di correttezza al 100%
285------------------------------------
286
287Il validatore verifica la proprietà di chiusura in senso matematico. Ovvero, per
288ogni sequenza di sincronizzazione di un singolo processo che si verifichi almeno
289una volta nel kernel, il validatore dimostrerà con una certezza del 100% che
290nessuna combinazione e tempistica di queste sequenze possa causare uno stallo in
291una qualsiasi classe di blocco. [1]_
292
293In pratica, per dimostrare l'esistenza di uno stallo non servono complessi
294scenari di sincronizzazione multi-processore e multi-processo. Il validatore può
295dimostrare la correttezza basandosi sulla sola sequenza di sincronizzazione
296apparsa almeno una volta (in qualunque momento, in qualunque processo o
297contesto). Uno scenario complesso che avrebbe bisogno di 3 processori e una
298sfortunata presenza di processi, interruzioni, e pessimo tempismo, può essere
299riprodotto su un sistema a singolo processore.
300
301Questo riduce drasticamente la complessità del controllo di qualità della
302sincronizzazione nel kernel: quello che deve essere fatto è di innescare nel
303kernel quante più possibili "semplici" sequenze di sincronizzazione, almeno una
304volta, allo scopo di dimostrarne la correttezza. Questo al posto di innescare
305una verifica per ogni possibile combinazione di sincronizzazione fra processori,
306e differenti scenari con hardirq e softirq e annidamenti vari (nella pratica,
307impossibile da fare)
308
309.. [1]
310
311   assumendo che il validatore sia corretto al 100%, e che nessun altra parte
312   del sistema possa corromperne lo stato. Assumiamo anche che tutti i percorsi
313   MNI/SMM [potrebbero interrompere anche percorsi dove le interruzioni sono
314   disabilitate] sono corretti e non interferiscono con il validatore. Inoltre,
315   assumiamo che un hash a 64-bit sia unico per ogni sequenza di
316   sincronizzazione nel sistema. Infine, la ricorsione dei blocchi non deve
317   essere maggiore di 20.
318
319Prestazione
320-----------
321
322Le regole sopracitate hanno bisogno di una quantità **enorme** di verifiche
323durante l'esecuzione. Il sistema sarebbe diventato praticamente inutilizzabile
324per la sua lentezza se le avessimo fatte davvero per ogni blocco trattenuto e
325per ogni abilitazione delle interruzioni. La complessità della verifica è
326O(N^2), quindi avremmo dovuto fare decine di migliaia di verifiche per ogni
327evento, il tutto per poche centinaia di classi.
328
329Il problema è stato risolto facendo una singola verifica per ogni 'scenario di
330sincronizzazione' (una sequenza unica di blocchi trattenuti uno dopo l'altro).
331Per farlo, viene mantenuta una pila dei blocchi trattenuti, e viene calcolato un
332hash a 64-bit unico per ogni sequenza. Quando la sequenza viene verificata per
333la prima volta, l'hash viene inserito in una tabella hash. La tabella potrà
334essere verificata senza bisogno di blocchi. Se la sequenza dovesse ripetersi, la
335tabella ci dirà che non è necessario verificarla nuovamente.
336
337Risoluzione dei problemi
338------------------------
339
340Il massimo numero di classi di blocco che il validatore può tracciare è:
341MAX_LOCKDEP_KEYS. Oltrepassare questo limite indurrà lokdep a generare il
342seguente avviso::
343
344	(DEBUG_LOCKS_WARN_ON(id >= MAX_LOCKDEP_KEYS))
345
346Di base questo valore è 8191, e un classico sistema da ufficio ha meno di 1000
347classi, dunque questo avviso è solitamente la conseguenza di un problema di
348perdita delle classi di blocco o d'inizializzazione dei blocchi. Di seguito una
349descrizione dei due problemi:
350
3511. caricare e rimuovere continuamente i moduli mentre il validatore è in
352   esecuzione porterà ad una perdita di classi di blocco. Il problema è che ogni
353   caricamento crea un nuovo insieme di classi di blocco per tutti i blocchi di
354   quel modulo. Tuttavia, la rimozione del modulo non rimuove le vecchie classi
355   (vedi dopo perché non le riusiamo). Dunque, il continuo caricamento e
356   rimozione di un modulo non fa altro che aumentare il contatore di classi fino
357   a raggiungere, eventualmente, il limite.
358
3592. Usare array con un gran numero di blocchi che non vengono esplicitamente
360   inizializzati. Per esempio, una tabella hash con 8192 *bucket* dove ognuno ha
361   il proprio spinlock_t consumerà 8192 classi di blocco a meno che non vengano
362   esplicitamente inizializzati in esecuzione usando spin_lock_init() invece
363   dell'inizializzazione durante la compilazione con __SPIN_LOCK_UNLOCKED().
364   Sbagliare questa inizializzazione garantisce un esaurimento di classi di
365   blocco. Viceversa, un ciclo che invoca spin_lock_init() su tutti i blocchi li
366   mapperebbe tutti alla stessa classe di blocco.
367
368   La morale della favola è che dovete sempre inizializzare esplicitamente i
369   vostri blocchi.
370
371Qualcuno potrebbe argomentare che il validatore debba permettere il riuso di
372classi di blocco. Tuttavia, se siete tentati dall'argomento, prima revisionate
373il codice e pensate alla modifiche necessarie, e tenendo a mente che le classi
374di blocco da rimuovere probabilmente sono legate al grafo delle dipendenze. Più
375facile a dirsi che a farsi.
376
377Ovviamente, se non esaurite le classi di blocco, la prossima cosa da fare è
378quella di trovare le classi non funzionanti. Per prima cosa, il seguente comando
379ritorna il numero di classi attualmente in uso assieme al valore massimo::
380
381	grep "lock-classes" /proc/lockdep_stats
382
383Questo comando produce il seguente messaggio::
384
385	lock-classes:                          748 [max: 8191]
386
387Se il numero di assegnazioni (748 qui sopra) aumenta continuamente nel tempo,
388allora c'è probabilmente un problema da qualche parte. Il seguente comando può
389essere utilizzato per identificare le classi di blocchi problematiche::
390
391	grep "BD" /proc/lockdep
392
393Eseguite il comando e salvatene l'output, quindi confrontatelo con l'output di
394un'esecuzione successiva per identificare eventuali problemi. Questo stesso
395output può anche aiutarti a trovare situazioni in cui l'inizializzazione del
396blocco è stata omessa.
397
398Lettura ricorsiva dei blocchi
399-----------------------------
400
401Il resto di questo documento vuole dimostrare che certi cicli equivalgono ad una
402possibilità di stallo.
403
404Ci sono tre tipi di bloccatori: gli scrittori (bloccatori esclusivi, come
405spin_lock() o write_lock()), lettori non ricorsivi (bloccatori condivisi, come
406down_read()), e lettori ricorsivi (bloccatori condivisi ricorsivi, come
407rcu_read_lock()). D'ora in poi, per questi tipi di bloccatori, useremo la
408seguente notazione:
409
410    W o E: per gli scrittori (bloccatori esclusivi) (W dall'inglese per
411           *Writer*, ed E per *Exclusive*).
412
413    r: per i lettori non ricorsivi (r dall'inglese per *reader*).
414
415    R: per i lettori ricorsivi (R dall'inglese per *Reader*).
416
417    S: per qualsiasi lettore (non ricorsivi + ricorsivi), dato che entrambe
418       sono bloccatori condivisi (S dall'inglese per *Shared*).
419
420    N: per gli scrittori ed i lettori non ricorsivi, dato che entrambe sono
421       non ricorsivi.
422
423Ovviamente, N equivale a "r o W" ed S a "r o R".
424
425Come suggerisce il nome, i lettori ricorsivi sono dei bloccatori a cui è
426permesso di acquisire la stessa istanza di blocco anche all'interno della
427sezione critica di un altro lettore. In altre parole, permette di annidare la
428stessa istanza di blocco nelle sezioni critiche dei lettori.
429
430Dall'altro canto, lo stesso comportamento indurrebbe un lettore non ricorsivo ad
431auto infliggersi uno stallo.
432
433La differenza fra questi due tipi di lettori esiste perché: quelli ricorsivi
434vengono bloccati solo dal trattenimento di un blocco di scrittura, mentre quelli
435non ricorsivi possono essere bloccati dall'attesa di un blocco di scrittura.
436Consideriamo il seguente esempio::
437
438    TASK A:            TASK B:
439
440    read_lock(X);
441                       write_lock(X);
442    read_lock_2(X);
443
444L'attività A acquisisce il blocco di lettura X (non importa se di tipo ricorsivo
445o meno) usando read_lock(). Quando l'attività B tenterà di acquisire il blocco
446X, si fermerà e rimarrà in attesa che venga rilasciato. Ora se read_lock_2() è
447un tipo lettore ricorsivo, l'attività A continuerà perché gli scrittori in
448attesa non possono bloccare lettori ricorsivi, e non avremo alcuno stallo.
449Tuttavia, se read_lock_2() è un lettore non ricorsivo, allora verrà bloccato
450dall'attività B e si causerà uno stallo.
451
452Condizioni bloccanti per lettori/scrittori su uno stesso blocco
453---------------------------------------------------------------
454Essenzialmente ci sono quattro condizioni bloccanti:
455
4561. Uno scrittore blocca un altro scrittore.
4572. Un lettore blocca uno scrittore.
4583. Uno scrittore blocca sia i lettori ricorsivi che non ricorsivi.
4594. Un lettore (ricorsivo o meno) non blocca altri lettori ricorsivi ma potrebbe
460   bloccare quelli non ricorsivi (perché potrebbero esistere degli scrittori in
461   attesa).
462
463Di seguito le tabella delle condizioni bloccanti, Y (*Yes*) significa che il
464tipo in riga blocca quello in colonna, mentre N l'opposto.
465
466    +---+---+---+---+
467    |   | W | r | R |
468    +---+---+---+---+
469    | W | Y | Y | Y |
470    +---+---+---+---+
471    | r | Y | Y | N |
472    +---+---+---+---+
473    | R | Y | Y | N |
474    +---+---+---+---+
475
476    (W: scrittori, r: lettori non ricorsivi, R: lettori ricorsivi)
477
478Al contrario dei blocchi per lettori non ricorsivi, quelli ricorsivi vengono
479trattenuti da chi trattiene il blocco di scrittura piuttosto che da chi ne
480attende il rilascio. Per esempio::
481
482	TASK A:			TASK B:
483
484	read_lock(X);
485
486				write_lock(X);
487
488	read_lock(X);
489
490non produce uno stallo per i lettori ricorsivi, in quanto il processo B rimane
491in attesta del blocco X, mentre il secondo read_lock() non ha bisogno di
492aspettare perché si tratta di un lettore ricorsivo. Tuttavia, se read_lock()
493fosse un lettore non ricorsivo, questo codice produrrebbe uno stallo.
494
495Da notare che in funzione dell'operazione di blocco usate per l'acquisizione (in
496particolare il valore del parametro 'read' in lock_acquire()), un blocco può
497essere di scrittura (blocco esclusivo), di lettura non ricorsivo (blocco
498condiviso e non ricorsivo), o di lettura ricorsivo (blocco condiviso e
499ricorsivo). In altre parole, per un'istanza di blocco esistono tre tipi di
500acquisizione che dipendono dalla funzione di acquisizione usata: esclusiva, di
501lettura non ricorsiva, e di lettura ricorsiva.
502
503In breve, chiamiamo "non ricorsivi" blocchi di scrittura e quelli di lettura non
504ricorsiva, mentre "ricorsivi" i blocchi di lettura ricorsivi.
505
506I blocchi ricorsivi non si bloccano a vicenda, mentre quelli non ricorsivi sì
507(anche in lettura). Un blocco di lettura non ricorsivi può bloccare uno
508ricorsivo, e viceversa.
509
510Il seguente esempio mostra uno stallo con blocchi ricorsivi::
511
512	TASK A:			TASK B:
513
514	read_lock(X);
515				read_lock(Y);
516	write_lock(Y);
517				write_lock(X);
518
519Il processo A attende che il processo B esegua read_unlock() so Y, mentre il
520processo B attende che A esegua read_unlock() su X.
521
522Tipi di dipendenze e percorsi forti
523-----------------------------------
524Le dipendenze fra blocchi tracciano l'ordine con cui una coppia di blocchi viene
525acquisita, e perché vi sono 3 tipi di bloccatori, allora avremo 9 tipi di
526dipendenze. Tuttavia, vi mostreremo che 4 sono sufficienti per individuare gli
527stalli.
528
529Per ogni dipendenza fra blocchi avremo::
530
531  L1 -> L2
532
533Questo significa che lockdep ha visto acquisire L1 prima di L2 nello stesso
534contesto di esecuzione. Per quanto riguarda l'individuazione degli stalli, ci
535interessa sapere se possiamo rimanere bloccati da L2 mentre L1 viene trattenuto.
536In altre parole, vogliamo sapere se esiste un bloccatore L3 che viene bloccato
537da L1 e un L2 che viene bloccato da L3. Dunque, siamo interessati a (1) quello
538che L1 blocca e (2) quello che blocca L2. Di conseguenza, possiamo combinare
539lettori ricorsivi e non per L1 (perché bloccano gli stessi tipi) e possiamo
540combinare scrittori e lettori non ricorsivi per L2 (perché vengono bloccati
541dagli stessi tipi).
542
543Con questa semplificazione, possiamo dedurre che ci sono 4 tipi di rami nel
544grafo delle dipendenze di lockdep:
545
5461) -(ER)->:
547            dipendenza da scrittore esclusivo a lettore ricorsivo. "X -(ER)-> Y"
548            significa X -> Y, dove X è uno scrittore e Y un lettore ricorsivo.
549
5502) -(EN)->:
551            dipendenza da scrittore esclusivo a bloccatore non ricorsivo.
552            "X -(EN)->" significa X-> Y, dove X è uno scrittore e Y può essere
553            o uno scrittore o un lettore non ricorsivo.
554
5553) -(SR)->:
556            dipendenza da lettore condiviso a lettore ricorsivo. "X -(SR)->"
557            significa X -> Y, dove X è un lettore (ricorsivo o meno) e Y è un
558            lettore ricorsivo.
559
5604) -(SN)->:
561            dipendenza da lettore condiviso a bloccatore non ricorsivo.
562            "X -(SN)-> Y" significa X -> Y , dove X è un lettore (ricorsivo
563            o meno) e Y può essere o uno scrittore o un lettore non ricorsivo.
564
565Da notare che presi due blocchi, questi potrebbero avere più dipendenza fra di
566loro. Per esempio::
567
568	TASK A:
569
570	read_lock(X);
571	write_lock(Y);
572	...
573
574	TASK B:
575
576	write_lock(X);
577	write_lock(Y);
578
579Nel grafo delle dipendenze avremo sia X -(SN)-> Y che X -(EN)-> Y.
580
581Usiamo -(xN)-> per rappresentare i rami sia per -(EN)-> che -(SN)->, allo stesso
582modo -(Ex)->, -(xR)-> e -(Sx)->
583
584Un "percorso" in un grafo è una serie di nodi e degli archi che li congiungono.
585Definiamo un percorso "forte", come il percorso che non ha archi (dipendenze) di
586tipo -(xR)-> e -(Sx)->. In altre parole, un percorso "forte" è un percorso da un
587blocco ad un altro attraverso le varie dipendenze, e se sul percorso abbiamo X
588-> Y -> Z (dove X, Y, e Z sono blocchi), e da X a Y si ha una dipendenza -(SR)->
589o -(ER)->, allora fra Y e Z non deve esserci una dipendenza -(SN)-> o -(SR)->.
590
591Nella prossima sezione vedremo perché definiamo questo percorso "forte".
592
593Identificazione di stalli da lettura ricorsiva
594----------------------------------------------
595Ora vogliamo dimostrare altre due cose:
596
597Lemma 1:
598
599Se esiste un percorso chiuso forte (ciclo forte), allora esiste anche una
600combinazione di sequenze di blocchi che causa uno stallo. In altre parole,
601l'esistenza di un ciclo forte è sufficiente alla scoperta di uno stallo.
602
603Lemma 2:
604
605Se non esiste un percorso chiuso forte (ciclo forte), allora non esiste una
606combinazione di sequenze di blocchi che causino uno stallo. In altre parole, i
607cicli forti sono necessari alla rilevazione degli stallo.
608
609Con questi due lemmi possiamo facilmente affermare che un percorso chiuso forte
610è sia sufficiente che necessario per avere gli stalli, dunque averli equivale
611alla possibilità di imbattersi concretamente in uno stallo. Un percorso chiuso
612forte significa che può causare stalli, per questo lo definiamo "forte", ma ci
613sono anche cicli di dipendenze che non causeranno stalli.
614
615Dimostrazione di sufficienza (lemma 1):
616
617Immaginiamo d'avere un ciclo forte::
618
619    L1 -> L2 ... -> Ln -> L1
620
621Questo significa che abbiamo le seguenti dipendenze::
622
623    L1   -> L2
624    L2   -> L3
625    ...
626    Ln-1 -> Ln
627    Ln   -> L1
628
629Ora possiamo costruire una combinazione di sequenze di blocchi che causano lo
630stallo.
631
632Per prima cosa facciamo sì che un processo/processore prenda L1 in L1 -> L2, poi
633un altro prende L2 in L2 -> L3, e così via. Alla fine, tutti i Lx in Lx -> Lx+1
634saranno trattenuti da processi/processori diversi.
635
636Poi visto che abbiamo L1 -> L2, chi trattiene L1 vorrà acquisire L2 in L1 -> L2,
637ma prima dovrà attendere che venga rilasciato da chi lo trattiene. Questo perché
638L2 è già trattenuto da un altro processo/processore, ed in più L1 -> L2 e L2 ->
639L3 non sono -(xR)-> né -(Sx)-> (la definizione di forte). Questo significa che L2
640in L1 -> L2 non è un bloccatore non ricorsivo (bloccabile da chiunque), e L2 in
641L2 -> L3 non è uno scrittore (che blocca chiunque).
642
643In aggiunta, possiamo trarre una simile conclusione per chi sta trattenendo L2:
644deve aspettare che L3 venga rilasciato, e così via. Ora possiamo dimostrare che
645chi trattiene Lx deve aspettare che Lx+1 venga rilasciato. Notiamo che Ln+1 è
646L1, dunque si è creato un ciclo dal quale non possiamo uscire, quindi si ha uno
647stallo.
648
649Dimostrazione della necessità (lemma 2):
650
651Questo lemma equivale a dire che: se siamo in uno scenario di stallo, allora
652deve esiste un ciclo forte nel grafo delle dipendenze.
653
654Secondo Wikipedia[1], se c'è uno stallo, allora deve esserci un ciclo di attese,
655ovvero ci sono N processi/processori dove P1 aspetta un blocco trattenuto da P2,
656e P2 ne aspetta uno trattenuto da P3, ... e Pn attende che il blocco P1 venga
657rilasciato. Chiamiamo Lx il blocco che attende Px, quindi P1 aspetta L1 e
658trattiene Ln. Quindi avremo Ln -> L1 nel grafo delle dipendenze. Similarmente,
659nel grafo delle dipendenze avremo L1 -> L2, L2 -> L3, ..., Ln-1 -> Ln, il che
660significa che abbiamo un ciclo::
661
662	Ln -> L1 -> L2 -> ... -> Ln
663
664, ed ora dimostriamo d'avere un ciclo forte.
665
666Per un blocco Lx, il processo Px contribuisce alla dipendenza Lx-1 -> Lx e Px+1
667contribuisce a quella Lx -> Lx+1. Visto che Px aspetta che Px+1 rilasci Lx, sarà
668impossibile che Lx in Px+1 sia un lettore e che Lx in Px sia un lettore
669ricorsivo. Questo perché i lettori (ricorsivi o meno) non bloccano lettori
670ricorsivi. Dunque, Lx-1 -> Lx e Lx -> Lx+1 non possono essere una coppia di
671-(xR)-> -(Sx)->. Questo è vero per ogni ciclo, dunque, questo è un ciclo forte.
672
673Riferimenti
674-----------
675
676[1]: https://it.wikipedia.org/wiki/Stallo_(informatica)
677
678[2]: Shibu, K. (2009). Intro To Embedded Systems (1st ed.). Tata McGraw-Hill
679