C言語でLinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミングを教えて！
こういった悩みにお答えします．
本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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目次
【C言語】LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミング
C言語でLinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミングを紹介します．
PREEMPT_RTパッチは，いくつかの非常に小さなコード領域（"raw_spinlock critical regions"）を除いて，ほぼ全てのカーネルのコード領域でプリエンプションできます．
ほとんどのカーネルのスピンロックを優先度継承をサポートするミューテックスに置き換えること，すべての割り込みとソフトウェア割り込みをカーネルスレッドに移動することで実現します．
利用するLinuxカーネルのバージョンはLinuxカーネル5.15（Ubuntu 22.04 LTS）です．
本記事は以下の内容を習得していることを前提とします．
LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチの適用方法
まずはLinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチを適用する必要があります．
Linuxカーネル5.15のパッチはこちらからダウンロードできます．
Linuxカーネル5.15のソースコードのトップディレクトリで以下の作業を行いパッチを当てて下さい．
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$ wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/5.15/older/patch-5.15-rt17.patch.gz $ gunzip patch-5.15-rt17.patch.gz $ patch -p1 < patch-5.15-rt17.patch |
PREEMPT_RTを有効にするために，Linuxカーネルの.configで「General setup -> Preemption Model -> Fully Preemptible Kernel (Real-Time)」を有効に設定します．
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$ make menuconfig General setup -> Preemption Model -> Fully Preemptible Kernel (Real-Time) |
後は，ビルドを成功するために，.configファイルを直接編集して以下の設定に変更しましょう．
「CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS="debian/canonical-certs.pem"」を「CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS=""」に変更
「CONFIG_SYSTEM_REVOCATION_KEYS="debian/canonical-revoked-certs.pem"」を「CONFIG_SYSTEM_REVOCATION_KEYS=""」に変更
「CONFIG_DEBUG_INFO=y」を「CONFIG_DEBUG_INFO=n」に変更
「CONFIG_LOCALVERSION=""」を「CONFIG_LOCALVERSION="-mykernel"」のように好きな文字列に変更
https://hiroyukichishiro.com/build-linux-kernel-and-implement-new-system-call-in-c-language/
makeでビルドします．
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$ make -j4 |
ビルドが成功したら，Linuxカーネルをインストールします．
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$ sudo make modules_install $ sudo make install |
インストールが成功したら，再起動してビルドしたLinuxカーネルを起動します．
以下のように「5.15.0-rt17-mykernel」と表示されれば成功です．
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$ uname -r 5.15.0-rt17-mykernel |
LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミング
LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミングをします．
まずはビルド環境をセットアップします．
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$ sudo apt-get install build-essential libnuma-dev |
リアルタイムプログラミングのテストプログラムであるRT-Testsを以下のコマンドでインストールします．
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$ git clone git://git.kernel.org/pub/scm/utils/rt-tests/rt-tests.git $ cd rt-tests $ git checkout stable/v1.0 $ make $ sudo make install |
本記事ではRT-Testsの中にあるCyclictestを利用します．
Cyclictestは，システムの遅延に関する統計情報を提供するために，スレッドが意図したウェイクアップ時刻と実際にウェイクアップした時刻の差を正確かつ繰り返し測定するC言語のプログラムです．
Cyclictestにより，ハードウェア，ファームウェア，OSが原因で発生するリアルタイムシステムの遅延を測定することができます．
Cyclictestの実行方法は以下になります．
LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチと通常のLinuxカーネルで遅延を比較してみましょう！
※仮想マシンで実行しているのでMaxの数値は大きくなっていますが，実機で実行すると小さくなります．
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$ sudo cyclictest --mlockall --smp --priority=80 --interval=200 --distance=0 # /dev/cpu_dma_latency set to 0us policy: fifo: loadavg: 7.31 1.91 0.65 2/903 2835 T: 0 ( 2736) P:80 I:200 C: 22648 Min: 6 Act: 253 Avg: 478 Max: 34917 T: 1 ( 2737) P:80 I:200 C: 24496 Min: 6 Act: 285 Avg: 433 Max: 21998 T: 2 ( 2738) P:80 I:200 C: 23539 Min: 6 Act: 286 Avg: 455 Max: 29660 T: 3 ( 2739) P:80 I:200 C: 24461 Min: 5 Act: 339 Avg: 433 Max: 25988 T: 4 ( 2740) P:80 I:200 C: 24350 Min: 6 Act: 327 Avg: 438 Max: 27167 T: 5 ( 2741) P:80 I:200 C: 23346 Min: 6 Act: 307 Avg: 459 Max: 38055 T: 6 ( 2742) P:80 I:200 C: 24496 Min: 5 Act: 401 Avg: 433 Max: 30698 T: 7 ( 2743) P:80 I:200 C: 24115 Min: 5 Act: 323 Avg: 442 Max: 22366 T: 8 ( 2744) P:80 I:200 C: 24197 Min: 7 Act: 309 Avg: 438 Max: 25614 T: 9 ( 2745) P:80 I:200 C: 23328 Min: 6 Act: 379 Avg: 460 Max: 80240 T:10 ( 2746) P:80 I:200 C: 24360 Min: 6 Act: 330 Avg: 435 Max: 29803 T:11 ( 2747) P:80 I:200 C: 16710 Min: 5 Act: 440 Avg: 681 Max: 32548 T:12 ( 2748) P:80 I:200 C: 23445 Min: 6 Act: 410 Avg: 456 Max: 26647 T:13 ( 2749) P:80 I:200 C: 24232 Min: 6 Act: 12 Avg: 437 Max: 19904 T:14 ( 2750) P:80 I:200 C: 24097 Min: 6 Act: 246 Avg: 440 Max: 26701 T:15 ( 2751) P:80 I:200 C: 24047 Min: 6 Act: 443 Avg: 441 Max: 31799 |
参考：Linuxカーネル6.12でPREEMPT_RTパッチがメインラインにマージ
Linuxカーネル6.12でPREEMPT_RTパッチがメインラインにマージされるとのことです．
PREEMPT_RTパッチは挑戦的な実装なので，バグの危険性が高かったため，2005年にリリースして以来，長らくメインラインにマージされていませんでした．
※PREEMPT_RTパッチの中で，部分的にマージされているものもあります．
やっとマージされますね！
まとめ
C言語LinuxカーネルのPREEMPT_RTパッチでリアルタイムプログラミングを紹介しました．
具体的には，RT-Testsの中にあるCyclictestの実行方法を解説しました．
C言語を独学で習得することは難しいです．
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