linux內(nèi)核搶占實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析

1、Linux內(nèi)核搶占實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析內(nèi)核搶占實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析【摘要】本文詳解了Linux內(nèi)核搶占實(shí)現(xiàn)機(jī)制。首先介紹了內(nèi)核搶占和用戶搶占的概念和區(qū)別，接著分析了不可搶占內(nèi)核的特點(diǎn)及實(shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)內(nèi)核搶占的必要性。然后分析了禁止內(nèi)核搶占的情況和內(nèi)核搶占的時(shí)機(jī)，最后介紹了實(shí)現(xiàn)搶占內(nèi)核所做的改動(dòng)以及何時(shí)需要重新調(diào)度?！娟P(guān)鍵字】?jī)?nèi)核搶占，用戶搶占，中斷，實(shí)時(shí)性，自旋鎖，搶占時(shí)機(jī)，調(diào)度時(shí)機(jī)，schedule，preemptcount1內(nèi)核搶占概述2.6新的可

2、搶占式內(nèi)核是指內(nèi)核搶占，即當(dāng)進(jìn)程位于內(nèi)核空間時(shí)，有一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)出現(xiàn)時(shí)，如果當(dāng)前內(nèi)核允許搶占，則可以將當(dāng)前任務(wù)掛起，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程。在2.5.4版本之前，Linux內(nèi)核是不可搶占的，高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程不能中止正在內(nèi)核中運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程而搶占CPU運(yùn)行。進(jìn)程一旦處于核心態(tài)(例如用戶進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用)，則除非進(jìn)程自愿放棄CPU，否則該進(jìn)程將一直運(yùn)行下去，直至完成或退出內(nèi)核。與此相反，一個(gè)可搶占的Linux內(nèi)核可以讓Linux內(nèi)核

3、如同用戶空間一樣允許被搶占。當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程到達(dá)時(shí)，不管當(dāng)前進(jìn)程處于用戶態(tài)還是核心態(tài)，如果當(dāng)前允許搶占，可搶占內(nèi)核的Linux都會(huì)調(diào)度高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程運(yùn)行。2用戶搶占內(nèi)核即將返回用戶空間的時(shí)候，如果needresched標(biāo)志被設(shè)置，會(huì)導(dǎo)致schedule()被調(diào)用，此時(shí)就會(huì)發(fā)生用戶搶占。在內(nèi)核返回用戶空間的時(shí)候，它知道自己是安全的。所以，內(nèi)核無(wú)論是在從中斷處理程序還是在系統(tǒng)調(diào)用后返回，都會(huì)檢查needresched標(biāo)志。如果它被設(shè)置了

4、，那么，內(nèi)核會(huì)選擇一個(gè)其他(更合適的)進(jìn)程投入運(yùn)行。簡(jiǎn)而言之，用戶搶占在以下情況時(shí)產(chǎn)生：從系統(tǒng)調(diào)返回用戶空間。從中斷處理程序返回用戶空間。3不可搶占內(nèi)核的特點(diǎn)在不支持內(nèi)核搶占的內(nèi)核中，內(nèi)核代碼可以一直執(zhí)行，到它完成為止。也就是說(shuō)，調(diào)度程序沒(méi)有辦法在一個(gè)內(nèi)核級(jí)的任務(wù)正在執(zhí)行的時(shí)候重新調(diào)度—內(nèi)核中的各任務(wù)是協(xié)作方式調(diào)度的，不具備搶占性。內(nèi)核代碼一直要執(zhí)行到完成(返回用戶空間)或明顯的阻塞為止。在單CPU情況下，這樣的設(shè)定大大簡(jiǎn)化了內(nèi)核的同步

5、和保護(hù)機(jī)制?？梢苑謨刹綄?duì)此加以分析：首先，不考慮進(jìn)程在內(nèi)核中自愿放棄CPU的情況(也即在內(nèi)核中不發(fā)生進(jìn)同CPU上運(yùn)行的進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的正確性。當(dāng)持有這些鎖時(shí)，內(nèi)核不應(yīng)該被搶占，否則由于搶占將導(dǎo)致其他CPU長(zhǎng)期不能獲得鎖而死等。內(nèi)核正在執(zhí)行調(diào)度程序Scheduler。搶占的原因就是為了進(jìn)行新的調(diào)度，沒(méi)有理由將調(diào)度程序搶占掉再運(yùn)行調(diào)度程序。內(nèi)核正在對(duì)每個(gè)CPU“私有”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作(PerCPUdatestructures)。在SMP中，對(duì)于

6、perCPU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)未用spinlocks保護(hù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隱含地被保護(hù)了(不同的CPU有不一樣的perCPU數(shù)據(jù)，其他CPU上運(yùn)行的進(jìn)程不會(huì)用到另一個(gè)CPU的perCPU數(shù)據(jù))。但是如果允許搶占，但一個(gè)進(jìn)程被搶占后重新調(diào)度，有可能調(diào)度到其他的CPU上去，這時(shí)定義的PerCPU變量就會(huì)有問(wèn)題，這時(shí)應(yīng)禁搶占。為保證Linux內(nèi)核在以上情況下不會(huì)被搶占，搶占式內(nèi)核使用了一個(gè)變量preempt_count，稱為內(nèi)核搶占鎖。這一變量被設(shè)置在

7、進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu)task_struct中。每當(dāng)內(nèi)核要進(jìn)入以上幾種狀態(tài)時(shí)，變量preempt_count就加1，指示內(nèi)核不允許搶占。每當(dāng)內(nèi)核從以上幾種狀態(tài)退出時(shí)，變量preempt_count就減1，同時(shí)進(jìn)行可搶占的判斷與調(diào)度。從中斷返回內(nèi)核空間的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)檢查need_resched和preempt_count的值。如果need_resched被設(shè)置，并且preemptcount為0的話，這說(shuō)明可能有一個(gè)更為重要的任務(wù)需要執(zhí)行并且可以

8、安全地?fù)屨?，此時(shí)，調(diào)度程序就會(huì)被調(diào)用。如果preemptcount不為0，則說(shuō)明內(nèi)核現(xiàn)在處干不可搶占狀態(tài)，不能進(jìn)行重新調(diào)度。這時(shí)，就會(huì)像通常那樣直接從中斷返回當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程。如果當(dāng)前進(jìn)程持有的所有的鎖都被釋放了，那么preempt_count就會(huì)重新為0。此時(shí)，釋放鎖的代碼會(huì)檢查need_resched是否被設(shè)置。如果是的話，就會(huì)調(diào)用調(diào)度程序。6內(nèi)核搶占時(shí)機(jī)在2.6版的內(nèi)核中，內(nèi)核引入了搶占能力；現(xiàn)在，只要重新調(diào)度是安全的，那么內(nèi)核就可以

9、在任何時(shí)間搶占正在執(zhí)行的任務(wù)。那么，什么時(shí)候重新調(diào)度才是安全的呢？只要premptcount為0，內(nèi)核就可以進(jìn)行搶占。通常鎖和中斷是非搶占區(qū)域的標(biāo)志。由于內(nèi)核是支持SMP的，所以，如果沒(méi)有持有鎖，那么正在執(zhí)行的代碼就是可重新導(dǎo)人的，也就是可以搶占的。如果內(nèi)核中的進(jìn)程被阻塞了，或它顯式地調(diào)用了schedule()，內(nèi)核搶占也會(huì)顯式地發(fā)生。這種形式的內(nèi)核搶占從來(lái)都是受支持的(實(shí)際上是主動(dòng)讓出CPU)，因?yàn)楦緹o(wú)需額外的邏輯來(lái)保證內(nèi)核可以安全