内核中断,异常,抢占总结篇

内核中断，异常，抢占总结篇一、基本概念中断分为同步中断和异步中断。同步中断是由CPU控制单元产生的，“同步”是指只有在一条指令执行完毕后，CPU才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。而异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号产生的，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。按照Intel的微处理器手册，同步中断和异步中断也分别称为异常（或者软件中断）和中断。中断大家都比较熟悉，是由硬件设备产生的。异常的产生源有两种：一种是由程序的错误产生的，内核通过发送一个Unix程序员都熟悉的信号来处理异常；第二种时内核必须处理的异常条件产生的，此时内核执行恢复异常需要的所有步骤，例如缺页，或对内核服务的一个请求（系统调用，通过一条int指令）。有一个知识点值得了解：内核态能够触发的唯一异常就是缺页异常，其他的都是用户态触发的。二、硬中断、软中断、异常之间的抢占关系硬中断可以被另一个优先级比自己高的硬中断“中断”，不能被同级（同一种硬中断）或低级的硬中断“中断”，更不能被软中断“中断”。软中断可以被硬中断“中断”，但是不会被另一个软中断“中断”。在一个CPU上，软中断总是串行执行。所以在单处理器上，对软中断的数据结构进行访问不需要加任何同步原语。（关于这一点，我对《深入理解linux内核》第三版P223页中保护可延迟函数所访问的数据结构有疑问，书上说保护可延迟函数（软中断）所访问的数据结构应采取的措施：对于单处理器的情况，在单处理器上不存在竞争条件，这是因为可延迟函数（软中断）的执行总是在一个CPU上串行执行--也就是说，一个可延迟函数不会被另一个可延迟函数中断。因此，根本不需要同步原语。我认为：一个软中断虽然不会被另一个软中断“中断”，但是可能被硬中断“中断”，而硬中断最后还是要执行到软中断，因此还是会形成对资源的临界区访问。我觉得在保护软中断时，应该关闭本地软中断，比如用local_bh_disable）还没写完这篇博客，就知道我在这个问题上错了。附上在Linux内核开发中文邮件列表上某位仁兄提供的解答。开始处理软中断的情况主要是1、中断退出执行的irq_exit2、内核线程ksoftirqd3、local_bh_enable而asmlinkagevoiddo_softirq(void){unsignedlongflags;structthread_info*curctx;unionirq_ctx*irqctx;u32*isp;if(in_interrupt())return;....}可以看到，in_interrupt判断，当前若是从硬件中断退出后执行的irq_exit进入的do_softirq，则立即返回，可以避免你说的情况本文最后还将附上一篇软中断源码的分析，很详细地说明了这个问题。硬中断和软中断都可以抢占（或者称为中断）异常（最典型的是系统调用），但是异常不能抢占硬中断和软中断。硬中断和软中断（只要是中断上下文）执行的时候都不允许内核抢占，换句话说，中断上下文中永远不允许进程切换。（个人理解，由于中断处理程序都需要较快地完成，而且中断处理程序可以嵌套，因此中断处理程序必须不能阻塞，否则性能就非常不能保证了。）三、用户抢占和内核抢占抢占分两种情况：用户抢占和内核抢占，其中内核抢占在Linux2.5.4版本发布时被并入内核的，通SMP一样作为内核的一项标准可选配置。1、用户抢占：内核即将返回用户空间的时候，如果needresched标志被设置，会导致schedule()被调用，此时就会发生用户抢占。在内核返回用户空间的时候，它知道自己是安全的。所以，内核无论是在从中断处理程序还是在系统调用后返回，都会检查needresched标志。如果它被设置了，那么，内核会选择一个其他(更合适的)进程投入运行。在内核抢占还没有出现的时候，内核所有的抢占情况都是用户抢占。2、内核抢占：内核抢占是指，一个在内核态运行的进程，可能在执行内核函数期间被另一个进程取代。不是在内核的任何一个地方都可以发生内核抢占的。内核不能被抢占的情况如下：1）内核正进行中断处理。在Linux内核中进程不能抢占中断(中断只能被其他中断中止、抢占，进程不能中止、抢占中断)，在中断例程中不允许进行进程调度。进程调度函数schedule()会对此作出判断，如果是在中断中调用，会打印出错信息。2）内核正在进行中断上下文的BottomHalf(中断的底半部)处理。硬件中断返回前会执行软中断，此时仍然处于中断上下文中。3）内核的代码段正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等锁，处干这些锁的保护状态中。内核中的这些锁是为了在SMP系统中短时间内保证不同CPU上运行的进程并发执行的正确性。当持有这些锁时，内核不应该被抢占。4）内核正在执行调度程序Scheduler。抢占的原因就是为了进行新的调度，没有理由将调度程序抢占掉再运行调度程序。5）内核正在对每个CPU“私有”的数据结构操作(Per-CPUdatestructures)。在SMP中，对于per-CPU数据结构未用spinlocks保护，因为这些数据结构隐含地被保护了(不同的CPU有不一样的per-CPU数据，其他CPU上运行的进程不会用到另一个CPU的per-CPU数据)。但是如果允许抢占，但一个进程被抢占后重新调度，有可能调度到其他的CPU上去，这时定义的Per-CPU变量就会有问题，这时应禁抢占。除了上述情况，在内核的任何地方都可能发生内核抢占，内核抢占发生的时机一般在：1）当从中断处理程序正在执行，且返回内核空间之前。2）当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁（spin_unlock_bh）及使能软中断(local_bh_enable)等。3）如果内核中的任务显式的调用schedule()。4）如果内核中的任务阻塞(这同样也会导致调用schedule())。内核抢占主要是为实时系统来设计的，但也不是在所有情况下都是最优的，因为抢占也需要调度和同步开销，在某些情况下甚至要关闭内核抢占。以下是一篇关于开启和关闭内核抢占性能测试的文章。四、怎么对内核临界区进行保护在进程内核数据结构的互斥同步访问时，我们最常用的办法是：信号量（睡眠等待），自旋锁（自旋等待），中断禁止和软中断禁止。往往需要几种方法配合使用才能达到我们想要的结果。1、保护异常（最典型的是系统调用）所访问的数据结构此时最常选用的是信号量，因为信号量原语允许进程睡眠到资源变为可用，对大部分系统调用而言，这是所期望的行为。信号量的工作方式在单处理器系统和多处理器系统上完全相同。只有在访问每CPU变量的情况下，必须显式地禁用内核抢占，其他情况下内核抢占不会出现问题。2、保护中断所访问的数据结构1）单处理器情况下：假如数据结构只被这一种中断访问，则完全可以不加同步原语，因为中断不能被同一种中断“中断”；假如数据结构被多个中断处理程序访问，则必须通过禁用本地中断来保护临界区。2）多处理器情况下：除了必须禁用本地中断，还必须使用自旋锁来避免来自其他CPU的干扰。可以使用如spin_lock_irq()来完成这两件事情。3、保护可延迟函数（软中断和tasklet）所访问的数据结构1）单处理器情况下：在单处理器系统上不存在竞争条件，因为可延迟函数的执行在一个CPU上是串行的，一个可延迟函数不会被另一个可延迟函数所中断。因此无需同步原语。2）多处理器情况下：需要自旋锁来加以保护。由于软中断和tasklet并发程度不同，加锁情况也不同。同一软中断可以在不同CPU上运行，因此无论一个或多个软中断，都必须用如spin_lock加以保护。同一tasklet不能在不同CPU上运行，因此无需加锁；不同tasklet可以在不同CPU上运行，因此也需要如spin_lock的锁加以保护。4、保护由异常和中断访问的数据结构单处理器情况下：1）对中断而言：中断不能被异常“中断”，无需考虑异常的干扰。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。2）对异常而言：异常的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。多处理器情况下：1）对中断而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。2）对异常而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。5、保护由异常和可延迟函数访问的数据结构单处理器情况下：1）对可延迟函数而言：可延迟函数不能被异常“中断”，无需考虑异常的干扰。在每个CPU上可延迟函数串行执行，不存在竞争条件，因此不用同步原语。2）对异常而言：异常的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地软中断。多处理器情况下：1）对中断而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。2）对异常而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。6、保护由中断和可延迟函数访问的数据机构单处理器情况下：1）对中断而言：中断不能被可延迟函数“中断”，无需考虑可延迟函数的干扰。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。2）对可延迟函数而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。多处理器情况下：1）对中断而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。2）对可延迟函数而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。7、保护由异常、中断和可延迟函数访问的数据结构单处理器情况下：1）对中断而言：优先级最高，无需考虑其他两种的影响。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。2）对可延迟函数而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。3）对异常而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。禁用了本地中断，也就相当于禁用了本地软中断。多处理器情况下：1）对中断而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。2）对可延迟函数而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。3）对异常而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。五、软中断源码分析之所以说软中断的执行时是串行的，是因为在软中断执行时，对于从硬中断进来的即将要执行的新的软中断会采取屏蔽措施，不让他们立即运行，而是保存起来，延迟一会，等自身的软中断执行完毕后，再执行那些保存起来的软中断，从而达到串行的目的。[cpp]viewplaincopyprint?1.//2.//do_IRQ函数执行完硬件ISR后退出时调用此函数。3.//4.voidirq_exit(void)5.{6.account_system_vtime(current);7.trace_hardirq_exit();8.sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);9.//10.//判断当前是否有硬件中断嵌套，并且是否有软中断在11.//pending状态，注意：这里只有两个条件同时满足12.//时，才有可能调用do_softirq()进入软中断。也就是13.//说确认当前所有硬件中断处理完成，且有硬件中断安装了14.//软中断处理时理时才会进入。15.//16.if(!in_interrupt()&&local_softirq_pending())17.//18.//其实这里就是调用do_softirq()执行19.//20.invoke_softirq();21.preempt_enable_no_resched();22.}23.#ifndef__ARCH_HAS_DO_SOFTIRQ24.asmlinkagevoiddo_softirq(void)25.{26.__u32pending;27.unsignedlongflag