Linux内核抢占与中断返回-

1、Linux内核抢占与中断返回1、上下文一般来说,CPU在任何时刻都处于以下三种情况之一:(1运行于用户空间,执行用户进程;(2运行于内核空间,处于进程上下文;(3运行于内核空间,处于中断上下文。应用程序通过系统调用陷入内核,此时处于进程上下文。现代几乎所有的CPU体系结构都支持中断。当外部设备产生中断,向CPU发送一个异步信号,CPU调用相应的中断处理程序来处理该中断,此时CPU处于中断上下文。在进程上下文中,可以通过current关联相应的任务。进程以进程上下文的形式运行在内核空间,可以发生睡眠,所以在进程上下文中,可以使作信号量(semaphore。实际上,内核经常在进程上下文中使用信号量

2、来完成任务之间的同步,当然也可以使用锁。中断上下文不属于任何进程,它与current没有任何关系(尽管此时current指向被中断的进程。由于没有进程背景,在中断上下文中不能发生睡眠,否则又如何对它进行调度。所以在中断上下文中只能使用锁进行同步,正是因为这个原因,中断上下文也叫做原子上下文(atomic context。在中断处理程序中,通常会禁止同一中断,甚至会禁止整个本地中断,所以中断处理程序应该尽可能迅速,所以又把中断处理分成上部和下部。2、上下文切换上下文切换,也就是从一个可执行进程切换到另一个可执行进程。上下文切换由函数context_switch(函数完成,该函数位于kernel/

3、sched.c中,它由进程调度函数schedule(调用。 static inlinetask_t * context_switch(runqueue_t *rq, task_t *prev, task_t *nextstruct mm_struct *mm = next->mm;struct mm_struct *oldmm = prev->active_mm;if (unlikely(!mm next->active_mm = oldmm;atomic_inc(&oldmm->mm_count;enter_lazy_tlb(oldmm, next; else

4、switch_mm(oldmm, mm, next;if (unlikely(!prev->mm prev->active_mm = NULL;WARN_ON(rq->prev_mm;rq->prev_mm = oldmm;/* Here we just switch the register state and the stack. */switch_to(prev, next, prev;return prev; 其中,switch_mm(将虚拟内存映射到新的进程;switch_to完成最终的进程切换,它保存原进程的所有寄存器信息,恢复新进程的所有寄存器信息,并执行

5、新的进程。无论何时,内核想要进行任务切换,都通过调用schedule(完成任务切换。3、用户抢占当内核即将返回用户空间时,内核会检查need_resched是否设置,如果设置,则调用schedule(,此时,发生用户抢占。一般来说,用户抢占发生几下情况:(1从系统调用返回用户空间;(2从中断(异常处理程序返回用户空间。4、内核抢占内核从2.6开始就支持内核抢占,对于非内核抢占系统,内核代码可以一直执行,直到完成,也就是说当进程处于内核态时,是不能被抢占的(当然,运行于内核态的进程可以主动放弃CPU,比如,在系统调用服务例程中,由于内核代码由于等待资源而放弃CPU,这种情况叫做计划性进程切换(p

6、lanned process switch。但是,对于由异步事件(比如中断引起的进程切换,抢占式内核与非抢占式是有区别的,对于前者叫做强制性进程切换(forced process switch。为了支持内核抢占,内核引入了preempt_count字段,该计数初始值为0,每当使用锁时加1,释放锁时减1。当preempt_count 为0时,表示内核可以被安全的抢占,大于0时,则禁止内核抢占。该字段对应三个不同的计数器(见软中断一节,也就是说在以下三种任何一种情况,该字段的值都会大于0。(1 内核执行中断处理程序时,通过irq_enter增加中断计数器的值;#define irq_enter(

7、(preempt_count( += HARDIRQ_OFFSET(2可延迟函数被禁止(执行软中断和tasklet时经常如此,由local_bh_disable完成;(3通过把抢占计数器设置为正而显式禁止内核抢占,由preempt_disable完成。当从中断返回内核空间时,内核会检preempt_count和need_resched的值(返回用户空间时只需要检查need_resched,如查preempt_count为0且need_resched设置,则调用schedule(,完成任务抢占。一般来说,内核抢占发生以下情况:(1从中断(异常返回时,preempt_count为0且need_re

8、sched置位;(2在异常处理程序中(特别是系统调用调用preempt_enable(来允许内核抢占发生; /incude/linux/preempt.h#define preempt_enable( do /抢占计数器值减1preempt_enable_no_resched(; /检查是否需要进行内核抢占调度,见(3preempt_check_resched(; while (0 (3 启用可延迟函数时,即调用local_bh_enable(时发生; /kernel/softirq.cvoid local_bh_enable(voidWARN_ON(irqs_disabled(;/* Kee

9、p preemption disabled until we are done with* softirq processing:*/软中断计数器值减1preempt_count( -= SOFTIRQ_OFFSET - 1;if (unlikely(!in_interrupt( && local_softirq_pending(do_softirq(; /软中断处理/抢占计数据器值减1dec_preempt_count(;/检查是否需要进行内核抢占调度preempt_check_resched(;/include/linux/preempt.h#define preempt_

10、check_resched( do /检查need_reschedif (unlikely(test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED /抢占调度preempt_schedule(; while (0/kernel/sched.casmlinkage void _sched preempt_schedule(voidstruct thread_info *ti = current_thread_info(;/* If there is a non-zero preempt_count or interrupts are dis abled,* we do not wan

11、t to preempt the current task. Just return. */检查是否允许抢占,本地中断关闭,或者抢占计数器值不为0时不允许抢占if (unlikely(ti->preempt_count | irqs_disabled(return;need_resched:ti->preempt_count = PREEMPT_ACTIVE;/发生调度schedule(;ti->preempt_count = 0;/* we could miss a preemption opportunity between schedule an d now */bar

12、rier(;if (unlikely(test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHEDgoto need_resched; (4内核任务显示调用schedule(,例如内核任务阻塞时,就会显示调用schedule(,该情况属于内核自动放弃CPU。5、从中断返回当内核从中断返回时,应当考虑以下几种情况:(1内核控制路径并发执行的数量:如果为1,则CPU返回用户态。(2挂起进程的切换请求:如果有挂起请求,则进行进程调度;否则,返回被中断的进程。(3待处理信号:如果有信号发送给当前进程,则必须进行信号处理。(4单步调试模式:如果调试器正在跟踪当前进程,在返回用户态时必须恢复单步模式

13、。(5Virtual-8086模式:如果中断时CPU处于虚拟8086模式,则进行特殊的处理。5.1从中断返回中断返回点为ret_from-intr: #从中断返回ret_from_intr:GET_THREAD_INFO(%ebpmovl EFLAGS(%esp, %eax # mix EFLAGS and CSmovb CS(%esp, %altestl $(VM_MASK | 3, %eax #是否运行在VM86模式或者用户态/*中断或异常发生时,处于内核空间,则返回内核空间;否则返回用户空间*/ jz resume_kernel # returning to kernel or vm86

14、-space 从中断返回时,有两种情况,一是返回内核态,二是返回用户态。5.1.1、返回内核态 #ifdef CONFIG_PREEMPT/*返回内核空间,先检查preempt_count,再检查need_resched*/ENTRY(resume_kernel/*是否可以抢占,即preempt_count是否为0*/cmpl $0,TI_preempt_count(%ebp # non-zero preempt_count ?jnz restore_all #不能抢占,则恢复被中断时处理器状态need_resched:movl TI_flags(%ebp, %ecx # need_resch

15、ed set ?testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl #是否需要重新调度jz restore_all #不需要重新调度testl $IF_MASK,EFLAGS(%esp # 发生异常则不调度jz restore_all#将最大值赋值给preempt_count,表示不允许再次被抢占movl $PREEMPT_ACTIVE,TI_preempt_count(%ebpsticall schedule #调度函数climovl $0,TI_preempt_count(%ebp #preempt_count还原为0#跳转到need_resched,判断是否又需要发生被调度jmp

16、 need_resched#endif 5.1.2、返回用户态 /*返回用户空间,只需要检查need_resched*/ENTRY(resume_userspace #返回用户空间,中断或异常发生时,任务处于用户空间cli # make sure we don't miss an interrupt# setting need_resched or sigpending# between sampling and the iretmovl TI_flags(%ebp, %ecxandl $_TIF_WORK_MASK, %ecx # is there any work to be do

17、ne on# int/exception return?jne work_pending #还有其它工作要做jmp restore_all #所有工作都做完,则恢复处理器状态#恢复处理器状态restore_all:RESTORE_ALL# perform work that needs to be done immediately before resum ptionALIGN#完成其它工作work_pending:testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl #检查是否需要重新调度jz work_notifysig #不需要重新调度#需要重新调度work_resched:cal

18、l schedule #调度进程cli # make sure we don't miss an interrupt# setting need_resched or sigpending# between sampling and the iretmovl TI_flags(%ebp, %ecx/*检查是否还有其它的事要做*/andl $_TIF_WORK_MASK, %ecx # is there any work to be done other# than syscall tracing?jz restore_all #没有其它的事,则恢复处理器状态testb $_TIF_NE

19、ED_RESCHED, %cljnz work_resched #如果need_resched再次置位,则继续调度#VM和信号检测work_notifysig: # deal with pending signals and# notify-resume requeststestl $VM_MASK, EFLAGS(%esp #检查是否是VM模式movl %esp, %eaxjne work_notifysig_v86 # returning to kernel-space or# vm86-spacexorl %edx, %edx#进行信号处理call do_notify_resumejmp

20、 restore_allALIGNwork_notifysig_v86:pushl %ecx # save ti_flags for do_notify_resume call save_v86_state # %eax contains pt_regs pointerpopl %ecxmovl %eax, %espxorl %edx, %edxcall do_notify_resume #信号处理jmp restore_all 5.2、从异常返回异常返回点为ret_from_exception:#从异常返回ALIGNret_from_exception:preempt_stop /*相当于cli,从中断返回时,在handle_IRQ_event已经关中断,不需要这步*/6、从系统调用返回 #系统调用入口ENTRY(system_callpushl %eax # save orig_eaxSAVE_ALLGET_THREAD_INFO(%ebp# system call tracing in operationtestb $(_TIF_SYSCALL_TRACE|_TIF_SYSCALL_AUDIT,TI_flags(%ebp jnz syscall_trace_entrycmpl $(nr_syscalls, %eaxjae sysc