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本篇內容介紹了“Linux 內核態搶占怎么實現”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓丸趣 TV 小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！
1. 非搶占式和可搶占式內核的區別
為了簡化問題，我使用嵌入式實時系統 uC/OS 作為例子。首先要指出的是，uC/OS 只有內核態，沒有用戶態，這和 Linux 不一樣。
多任務系統中，內核負責管理各個任務，或者說為每個任務分配 CPU 時間，并且負責任務之間的通訊。內核提供的基本服務是任務切換。調度(Scheduler), 英文還有一詞叫 dispatcher，也是調度的意思。這是內核的主要職責之一，就是要決定該輪到哪個任務運行了。多數實時內核是基于優先級調度法的。每個任務根據其重要程度的不同被賦予一定的優先級。基于優先級的調度法指，CPU 總是讓處在就緒態的優先級 *** 的任務先運行。然而，究竟何時讓高優先級任務掌握 CPU 的使用權，有兩種不同的情況，這要看用的是什么類型的內核，是不可剝奪型的還是可剝奪型內核。
非搶占式內核
非搶占式內核是由任務主動放棄 CPU 的使用權。非搶占式調度法也稱作合作型多任務，各個任務彼此合作共享一個 CPU。異步事件還是由中斷服務來處理。中斷服務可以使一個高優先級的任務由掛起狀態變為就緒狀態。但中斷服務以后控制權還是回到原來被中斷了的那個任務，直到該任務主動放棄 CPU 的使用權時，那個高優先級的任務才能獲得 CPU 的使用權。非搶占式內核如下圖所示。
非搶占式內核的優點有：
中斷響應快(與搶占式內核比較);
允許使用不可重入函數;
幾乎不需要使用信號量保護共享數據。運行的任務占有 CPU，不必擔心被別的任務搶占。這不是絕對的，在打印機的使用上，仍需要滿足互斥條件。
非搶占式內核的缺點有：
任務響應時間慢。高優先級的任務已經進入就緒態，但還不能運行，要等到當前運行著的任務釋放 CPU。
非搶占式內核的任務級響應時間是不確定的，不知道什么時候 *** 優先級的任務才能拿到 CPU 的控制權，完全取決于應用程序什么時候釋放 CPU。
搶占式內核
使用搶占式內核可以保證系統響應時間。*** 優先級的任務一旦就緒，總能得到 CPU 的使用權。當一個運行著的任務使一個比它優先級高的任務進入了就緒態，當前任務的 CPU 使用權就會被剝奪，或者說被掛起了，那個高優先級的任務立刻得到了 CPU 的控制權。如果是中斷服務子程序使一個高優先級的任務進入就緒態，中斷完成時，中斷了的任務被掛起，優先級高的那個任務開始運行。搶占式內核如下圖所示。
搶占式內核的優點有：
使用搶占式內核，*** 優先級的任務什么時候可以執行，可以得到 CPU 的使用權是可知的。使用搶占式內核使得任務級響應時間得以 *** 化。
搶占式內核的缺點有：
不能直接使用不可重入型函數。調用不可重入函數時，要滿足互斥條件，這點可以使用互斥型信號量來實現。如果調用不可重入型函數時，低優先級的任務 CPU 的使用權被高優先級任務剝奪，不可重入型函數中的數據有可能被破壞。
2. Linux 下的用戶態搶占和內核態搶占
Linux 除了內核態外還有用戶態。用戶程序的上下文屬于用戶態，系統調用和中斷處理例程上下文屬于內核態。在 2.6 kernel 以前，Linux kernel 只支持用戶態搶占。
2.1 用戶態搶占(User Preemption)
在 kernel 返回用戶態 (user-space) 時，并且 need_resched 標志為 1 時，scheduler 被調用，這就是用戶態搶占。當 kernel 返回用戶態時，系統可以安全的執行當前的任務，或者切換到另外一個任務。當中斷處理例程或者系統調用完成后，kernel 返回用戶態時，need_resched 標志的值會被檢查，假如它為 1，調度器會選擇一個新的任務并執行。
中斷和系統調用的返回路徑 (return path) 的實現在 entry.S 中(entry.S 不僅包括 kernel entry code，也包括 kernel exit code)。
2.2 內核態搶占(Kernel Preemption)
在 2.6 kernel 以前，kernel code(中斷和系統調用屬于 kernel code)會一直運行，直到 code 被完成或者被阻塞 (系統調用可以被阻塞)。在 2.6 kernel 里，Linux kernel 變成可搶占式。當從中斷處理例程返回到內核態(kernel-space) 時，kernel 會檢查是否可以搶占和是否需要重新調度。kernel 可以在任何時間點上搶占一個任務(因為中斷可以發生在任何時間點上)，只要在這個時間點上 kernel 的狀態是安全的、可重新調度的。
3. 內核態搶占的設計
3.1 可搶占的條件
要滿足什么條件，kernel 才可以搶占一個任務的內核態呢?
沒持有鎖。鎖是用于保護臨界區的，不能被搶占。
Kernel code 可重入(reentrant)。因為 kernel 是 SMP-safe 的，所以滿足可重入性。
如何判斷當前上下文 (中斷處理例程、系統調用、內核線程等) 是沒持有鎖的?Linux 在每個每個任務的 thread_info 結構中增加了 preempt_count 變量作為 preemption 的計數器。這個變量初始為 0，當加鎖時計數器增一，當解鎖時計數器減一。
3.2 內核態需要搶占的觸發條件
內核提供了一個 need_resched 標志 (這個標志在任務結構 thread_info 中) 來表明是否需要重新執行調度。
3.3 何時觸發重新調度
set_tsk_need_resched()：設置指定進程中的 need_resched 標志
clear_tsk need_resched()：清除指定進程中的 need_resched 標志
need_resched()：檢查 need_ resched 標志的值; 如果被設置就返回真，否則返回假
什么時候需要重新調度：
時鐘中斷處理例程檢查當前任務的時間片，當任務的時間片消耗完時，scheduler_tick()函數就會設置 need_resched 標志;
信號量、等到隊列、completion 等機制喚醒時都是基于 waitqueue 的，而 waitqueue 的喚醒函數為 default_wake_function，其調用 try_to_wake_up 將被喚醒的任務更改為就緒狀態并設置 need_resched 標志。
設置用戶進程的 nice 值時，可能會使高優先級的任務進入就緒狀態;
改變任務的優先級時，可能會使高優先級的任務進入就緒狀態;
新建一個任務時，可能會使高優先級的任務進入就緒狀態;
對 CPU(SMP)進行負載均衡時，當前任務可能需要放到另外一個 CPU 上運行;
3.4 搶占發生的時機(何時檢查可搶占條件)
當一個中斷處理例程退出，在返回到內核態時 (kernel-space)。這是隱式的調用 schedule() 函數，當前任務沒有主動放棄 CPU 使用權，而是被剝奪了 CPU 使用權。
當 kernel code 從不可搶占狀態變為可搶占狀態時 (preemptible again)。也就是 preempt_count 從正整數變為 0 時。這也是隱式的調用 schedule() 函數。
一個任務在內核態中顯式的調用 schedule()函數。任務主動放棄 CPU 使用權。
一個任務在內核態中被阻塞，導致需要調用 schedule()函數。任務主動放棄 CPU 使用權。
3.5 禁用 / 使能可搶占條件的操作
對 preempt_count 操作的函數有 add_preempt_count()、sub_preempt_count()、inc_preempt_count()、dec_preempt_count()。
使能可搶占條件的操作是 preempt_enable()，它調用 dec_preempt_count()函數，然后再調用 preempt_check_resched()函數去檢查是否需要重新調度。
禁用可搶占條件的操作是 preempt_disable()，它調用 inc_preempt_count()函數。
在內核中有很多函數調用了 preempt_enable()和 preempt_disable()。比如 spin_lock()函數調用了 preempt_disable()函數，spin_unlock()函數調用了 preempt_enable()函數。
3.6 什么時候不允許搶占
preempt_count()函數用于獲取 preempt_count 的值，preemptible()用于判斷內核是否可搶占。
有幾種情況 Linux 內核不應該被搶占，除此之外，Linux 內核在任意一點都可被搶占。這幾種情況是：
內核正進行中斷處理。在 Linux 內核中進程不能搶占中斷 (中斷只能被其他中斷中止、搶占，進程不能中止、搶占中斷)，在中斷例程中不允許進行進程調度。進程調度函數 schedule() 會對此作出判斷，如果是在中斷中調用，會打印出錯信息。
內核正在進行中斷上下文的 Bottom Half(中斷的下半部)處理。硬件中斷返回前會執行軟中斷，此時仍然處于中斷上下文中。
內核的代碼段正持有 spinlock 自旋鎖、writelock/readlock 讀寫鎖等鎖，處干這些鎖的保護狀態中。內核中的這些鎖是為了在 SMP 系統中短時間內保證不同 CPU 上運行的進程并發執行的正確性。當持有這些鎖時，內核不應該被搶占，否則由于搶占將導致其他 CPU 長期不能獲得鎖而死等。
內核正在執行調度程序 Scheduler。搶占的原因就是為了進行新的調度，沒有理由將調度程序搶占掉再運行調度程序。
內核正在對每個 CPU“私有”的數據結構操作(Per-CPU date structures)。在 SMP 中，對于 per-CPU 數據結構未用 spinlocks 保護，因為這些數據結構隱含地被保護了(不同的 CPU 有不一樣的 per-CPU 數據，其他 CPU 上運行的進程不會用到另一個 CPU 的 per-CPU 數據)。但是如果允許搶占，但一個進程被搶占后重新調度，有可能調度到其他的 CPU 上去，這時定義的 Per-CPU 變量就會有問題，這時應禁搶占。
4. Linux 內核態搶占的實現
4.1 數據結構
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struct thread_info { struct task_struct *task; /* main task structure */ struct exec_domain *exec_domain; /* execution domain */ /** * 如果有 TIF_NEED_RESCHED 標志，則必須調用調度程序。 */ unsigned long flags; /* low level flags */ /** * 線程標志: * TS_USEDFPU: 表示進程在當前執行過程中，是否使用過 FPU、MMX 和 XMM 寄存器。 */ unsigned long status; /* thread-synchronous flags */ /** * 可運行進程所在運行隊列的 CPU 邏輯號。 */ __u32 cpu; /* current CPU */ __s32 preempt_count; /* 0 = preemptable, 0 = BUG */ mm_segment_t addr_limit; /* thread address space: 0-0xBFFFFFFF for user-thead 0-0xFFFFFFFF for kernel-thread */ struct restart_block restart_block; unsigned long previous_esp; /* ESP of the previous stack in case of nested (IRQ) stacks */ __u8 supervisor_stack[0]; };4.2 代碼流程
禁用 / 使能可搶占條件的函數
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#ifdef CONFIG_DEBUG_PREEMPT extern void fastcall add_preempt_count(int val); extern void fastcall sub_preempt_count(int val); #else # define add_preempt_count(val) do { preempt_count() += (val); } while (0) # define sub_preempt_count(val) do { preempt_count() -= (val); } while (0) #endif #define inc_preempt_count() add_preempt_count(1) #define dec_preempt_count() sub_preempt_count(1) /** * 在 thread_info 描述符中選擇 preempt_count 字段 */ #define preempt_count() (current_thread_info()- preempt_count) #ifdef CONFIG_PREEMPT asmlinkage void preempt_schedule(void); /** * 使搶占計數加 1 */ #define preempt_disable() \ do { \ inc_preempt_count(); \ barrier(); \ } while (0) /** * 使搶占計數減 1 */ #define preempt_enable_no_resched() \ do { \ barrier(); \ dec_preempt_count(); \ } while (0) #define preempt_check_resched() \ do { \ if (unlikely(test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED))) \ preempt_schedule(); \ } while (0) /** * 使搶占計數減 1，并在 thread_info 描述符的 TIF_NEED_RESCHED 標志被置為 1 的情況下，調用 preempt_schedule() */ #define preempt_enable() \ do { \ preempt_enable_no_resched(); \ preempt_check_resched(); \ } while (0) #else #define preempt_disable() do { } while (0) #define preempt_enable_no_resched() do { } while (0) #define preempt_enable() do { } while (0) #define preempt_check_resched() do { } while (0) #endif設置 need_resched 標志的函數
[cpp] view plain copy
static inline void set_tsk_need_resched(struct task_struct *tsk) { set_tsk_thread_flag(tsk,TIF_NEED_RESCHED); } static inline void clear_tsk_need_resched(struct task_struct *tsk) { clear_tsk_thread_flag(tsk,TIF_NEED_RESCHED); }“Linux 內核態搶占怎么實現”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注丸趣 TV 網站，丸趣 TV 小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！
