內(nèi)核搶占機制及驅(qū)動

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1、Linux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新的可搶占式內(nèi)核是指內(nèi)核搶占，即當(dāng)進程位于內(nèi)核空間時，有一個更高優(yōu)先級的任務(wù)出現(xiàn)時，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)先級更高的進程。在2.5.4版本之前，Linux內(nèi)

2、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)核如同用戶空間一樣允許被搶占。當(dāng)一個高優(yōu)先級的進程到達(dá)時，不管當(dāng)前進程處于用戶態(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(biāo)志被設(shè)置，會導(dǎo)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。

3、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(biāo)志。如果它被設(shè)置了，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(wù)正在執(zhí)行的時候重新調(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)定大大簡化了內(nèi)核的同步和保護機制?？梢苑謨刹綄Υ思右苑治觯菏紫龋豢紤]進程在

4、內(nèi)核中自愿放棄CPU的情況(也即在內(nèi)核中不發(fā)生進程的切換)。一個進程一旦進入內(nèi)核就將一直運行下去，直到完成或退出內(nèi)核。在其沒有完成或退出內(nèi)核之前，不會有另外一個進程進入內(nèi)核，即進程在內(nèi)核中的執(zhí)行是串行的，不可能有多個進程同時在內(nèi)核中運行，這樣內(nèi)核代碼設(shè)計時就不用考慮多個進程同時執(zhí)行所帶來的并發(fā)問題。Linux的內(nèi)核開發(fā)人員就不用考慮復(fù)雜的進程并發(fā)執(zhí)行互斥訪問臨界資源的問題。當(dāng)進程在訪問、修改內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時就不需要加鎖來防止多個進程同時進入臨界區(qū)。這時只需再考慮一下中斷的情況，若有中斷處理例程也有可能訪問進程正在訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么進程只要在進入臨界區(qū)前先進行關(guān)中斷操作，退出臨界區(qū)時進行開中

5、斷操作就可以了。再考慮一下進程自愿放棄CPU的情況。因為對CPU的放棄是自愿的、主動的，也就意味著進程在內(nèi)核中的切換是預(yù)先知道的，不會出現(xiàn)在不知道的情況下發(fā)生進程的切換。這樣就只需在發(fā)生進程切換的地方考慮一下多個進程同時執(zhí)行所可能帶來的并發(fā)問題，而不必在整個內(nèi)核范圍內(nèi)都要考慮進程并發(fā)執(zhí)行問題。4為什么需要內(nèi)核搶占？實現(xiàn)內(nèi)核的可搶占對Linux具有重要意義。首先，這是將Linux應(yīng)用于實時系統(tǒng)所必需的。實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間有嚴(yán)格的限定，當(dāng)一個實時進程被實時設(shè)備的硬件中斷喚醒后，它應(yīng)在限定的時間內(nèi)被調(diào)度執(zhí)行。而Linux不能滿足這一要求，因為Linux的內(nèi)核是不可搶占的，不能確定系統(tǒng)在內(nèi)核中的停留

6、時間。事實上當(dāng)內(nèi)核執(zhí)行長的系統(tǒng)調(diào)用時，實時進程要等到內(nèi)核中運行的進程退出內(nèi)核才能被調(diào)度，由此產(chǎn)生的響應(yīng)延遲，在如今的硬件條件下，會長達(dá)100ms級。這對于那些要求高實時響應(yīng)的系統(tǒng)是不能接受的。而可搶占的內(nèi)核不僅對Linux的實時應(yīng)用至關(guān)重要，而且能解決Linux對多媒體(video,audio)等要求低延遲的應(yīng)用支持不夠好的缺陷。由于可搶占內(nèi)核的重要性，在Linux2.5.4版本發(fā)布時，可搶占被并入內(nèi)核，同SMP一樣作為內(nèi)核的一項標(biāo)準(zhǔn)可選配置。5什么情況不允許內(nèi)核搶占有幾種情況Linux內(nèi)核不應(yīng)該被搶占，除此之外Linux內(nèi)核在任意一點都可被搶占。這幾種情況是：2內(nèi)核正進行中斷處理。在Lin

7、ux內(nèi)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(diào)度。進程調(diào)度函數(shù)schedule()會對此作出判斷，如果是在中斷中調(diào)用，會打印出錯信息。2內(nèi)核正在進行中斷上下文的BottomHalf(中斷的底半部)處理。硬件中斷返回前會執(zhí)行軟中斷，此時仍然處于中斷上下文中。2內(nèi)核的代碼段正持有spinlock自旋鎖、writelock/readlock讀寫鎖等鎖