Linux 中 writev() 系统调用的原子性答案

【问题标题】：Atomicity of writev() system call in LinuxLinux 中 writev() 系统调用的原子性
【发布时间】：2017-06-13 21:26:50
【问题描述】：

我查看了 linux 内核 4.4.0-57-generic 的内核源代码，但在 writev() 源代码中没有看到任何锁。有什么我想念的吗？我看不出writev() 是原子的还是线程安全的。

【问题讨论】：

标签： linux linux-kernel kernel system-calls

【解决方案1】：

这里不是内核专家，但无论如何我都会分享我的观点。随时发现任何错误。

浏览内核（v4.9 虽然我不希望它如此不同），并尝试跟踪 writev(2) 系统调用，我可以观察到创建以下路径的后续函数调用：

现在路径分支，取决于是否实现了write_iter 方法并挂钩到系统调用所指的struct file 的struct file_operations 字段。

如果不是NULL，则路径为：

5a。 do_iter_readv_writev(..)，调用方法filp->f_op->write_iter(..)at this point。

如果是NULL，则路径为：

5b。 do_loop_readv_writev(..)，在循环中反复调用方法filp->f_op->writeat this point。

所以，据我了解，writev() 系统调用与底层write()（或write_iter()）一样是线程安全的，当然可以通过多种方式实现，例如在设备驱动程序中，并且可能会或可能不会根据其需要和设计使用锁。

编辑：

在内核 v4.4 中，路径看起来非常相似：

然后取决于struct file的struct file_operations中作为字段的write_iter方法是否为NULL，就像上面描述的v4.9中的情况一样。

【讨论】：

还是其他人？我正在学习这些东西，发现任何错误都会有所帮助。
这和我看到的一样。在我读到这个 writev(2) 之后依赖filp->f_op->write 下面的 write 方法来获得原子性似乎很奇怪：*readv() 和 writev() 执行的数据传输是原子的：数据由 writev() 写入的块被写入单个块，不会与其他进程中写入的输出混合（但请参阅 pipe(7) 以了解异常）；类似地， readv() 保证从文件中读取连续的数据块，而不管在其他线程或具有文件描述符的进程中执行的读取操作如何。 . .
@C6Up1bQ73STi29cA 我明白你的意思。我相信在依赖do_iter_readv_writev() 和方法write_iter 时如何实现原子性是显而易见的，因为后者可以正确获取必要的锁以原子地执行数据传输。然而，在write_iter 根本没有实现的情况下，因此writev(2) 基本上依赖于手动重复调用的write 方法，在一个循环中，老实说，我不知道它怎么能是原子的。我最好的猜测是，在这种情况下，write_iter 方法必须实现以实现原子性。 ...
感谢 chrk 和 Tsyvarev。正如@Tsyvarev 为ext4 指出的那样，驱动程序可能必须实现原子write() 方法。如果我看到 writev() 中的锁，我会更放心。我正在写一个套接字，所以我将打开该代码的 write() 方法。使用抢占式内核，没有锁，没有原子。当然，可能有内核魔法不会抢占 writev()。我可能应该在 Unix 和 Linux 上发帖；我想我会。再次感谢。

【解决方案2】：

VFS（虚拟文件系统）本身不保证writev() 调用的 原子性。它只是调用struct file_operations 的文件系统特定的.write_iter 方法。

make 方法原子地写入文件是特定文件系统实现的责任。

例如在ext4文件系统函数ext4_file_write_iter使用

mutex_lock(&inode->i_mutex);

让写作原子化。

【讨论】：

【解决方案3】：

在 fs.h 中找到它：

static inline void file_start_write(struct file *file)
{
    if (!S_ISREG(file_inode(file)->i_mode))
        return;
    __sb_start_write(file_inode(file)->i_sb, SB_FREEZE_WRITE, true);
}

然后在 super.c 中：

/*
 * This is an internal function, please use sb_start_{write,pagefault,intwrite}
 * instead.
 */
int __sb_start_write(struct super_block *sb, int level, bool wait)
{
    bool force_trylock = false;
    int ret = 1;

#ifdef CONFIG_LOCKDEP
/*
 * We want lockdep to tell us about possible deadlocks with freezing
 * but it's it bit tricky to properly instrument it. Getting a freeze
 * protection works as getting a read lock but there are subtle
 * problems. XFS for example gets freeze protection on internal level
 * twice in some cases, which is OK only because we already hold a
 * freeze protection also on higher level. Due to these cases we have
 * to use wait == F (trylock mode) which must not fail.
 */
  if (wait) {
    int i;

    for (i = 0; i < level - 1; i++)
        if (percpu_rwsem_is_held(sb->s_writers.rw_sem + i)) {
            force_trylock = true;
            break;
        }
  }
#endif
  if (wait && !force_trylock)
    percpu_down_read(sb->s_writers.rw_sem + level-1);
  else
    ret = percpu_down_read_trylock(sb->s_writers.rw_sem + level-1);

  WARN_ON(force_trylock & !ret);
  return ret;
}
EXPORT_SYMBOL(__sb_start_write);

再次感谢。

【讨论】：