linux內(nèi)核搶占實現(xiàn)機制分析

1、Linux內(nèi)核搶占實現(xiàn)機制分析內(nèi)核搶占實現(xiàn)機制分析【摘要】本文詳解了Linux內(nèi)核搶占實現(xiàn)機制。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)核的特點及實時系統(tǒng)中實現(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)核搶占的時機，最后介紹了實現(xiàn)搶占內(nèi)核所做的改動以及何時需要重新調(diào)度。【關(guān)鍵字】內(nèi)核搶占，用戶搶占，中斷，實時性，自旋鎖，搶占時機，調(diào)度時機，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，即當進程位于內(nèi)核空間時，有一個更高優(yōu)先級的任務出現(xiàn)時，如果當前內(nèi)核允許搶占，則可以將當前任務掛起，執(zhí)行優(yōu)先級更高的進程。在2.5.4版本之前，Linux內(nèi)核是不可搶占的，高優(yōu)先級的進程不能中止正在內(nèi)核中運行的低優(yōu)先級的進程而搶占CPU運行。進程一旦處于核心態(tài)(例如用戶進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用)，則除非進程自愿放棄CPU，否則該進程將一直運行下去，直至完成或退出內(nèi)核。與此相反，一個可搶占的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。當一個高優(yōu)先級的進程到達時，不管當前進程處于用戶態(tài)還是核心態(tài)，如果當前允許搶占，可搶占內(nèi)核的Linux都會調(diào)度高優(yōu)先級的進程運行。2用戶搶占內(nèi)核即將返回用戶空間的時候，如果needresched標志被設置，會導致schedule()被調(diào)用，此時就會發(fā)生用戶搶占。在內(nèi)核返回用戶空間的時候，它知道自己是安全的。所以，內(nèi)核無論是在從中斷處理程序還是在系統(tǒng)調(diào)用后返回，都會檢查needresched標志。如果它被設置了

4、，那么，內(nèi)核會選擇一個其他(更合適的)進程投入運行。簡而言之，用戶搶占在以下情況時產(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，調(diào)度程序沒有辦法在一個內(nèi)核級的任務正在執(zhí)行的時候重新調(diào)度—內(nèi)核中的各任務是協(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，這樣的設定大大簡化了內(nèi)核的同步

5、和保護機制?？梢苑謨刹綄Υ思右苑治觯菏紫?，不考慮進程在內(nèi)核中自愿放棄CPU的情況(也即在內(nèi)核中不發(fā)生進同CPU上運行的進程并發(fā)執(zhí)行的正確性。當持有這些鎖時，內(nèi)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(nèi)核正在執(zhí)行調(diào)度程序Scheduler。搶占的原因就是為了進行新的調(diào)度，沒有理由將調(diào)度程序搶占掉再運行調(diào)度程序。內(nèi)核正在對每個CPU“私有”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作(PerCPUdatestructures)。在SMP中，對于

6、perCPU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)未用spinlocks保護，因為這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隱含地被保護了(不同的CPU有不一樣的perCPU數(shù)據(jù)，其他CPU上運行的進程不會用到另一個CPU的perCPU數(shù)據(jù))。但是如果允許搶占，但一個進程被搶占后重新調(diào)度，有可能調(diào)度到其他的CPU上去，這時定義的PerCPU變量就會有問題，這時應禁搶占。為保證Linux內(nèi)核在以上情況下不會被搶占，搶占式內(nèi)核使用了一個變量preempt_count，稱為內(nèi)核搶占鎖。這一變量被設置在

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

8、安全地搶占，此時，調(diào)度程序就會被調(diào)用。如果preemptcount不為0，則說明內(nèi)核現(xiàn)在處干不可搶占狀態(tài)，不能進行重新調(diào)度。這時，就會像通常那樣直接從中斷返回當前執(zhí)行進程。如果當前進程持有的所有的鎖都被釋放了，那么preempt_count就會重新為0。此時，釋放鎖的代碼會檢查need_resched是否被設置。如果是的話，就會調(diào)用調(diào)度程序。6內(nèi)核搶占時機在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、在任何時間搶占正在執(zhí)行的任務。那么，什么時候重新調(diào)度才是安全的呢？只要premptcount為0，內(nèi)核就可以進行搶占。通常鎖和中斷是非搶占區(qū)域的標志。由于內(nèi)核是支持SMP的，所以，如果沒有持有鎖，那么正在執(zhí)行的代碼就是可重新導人的，也就是可以搶占的。如果內(nèi)核中的進程被阻塞了，或它顯式地調(diào)用了schedule()，內(nèi)核搶占也會顯式地發(fā)生。這種形式的內(nèi)核搶占從來都是受支持的(實際上是主動讓出CPU)，因為根本無需額外的邏輯來保證內(nèi)核可以安全