Linux 网络协议栈之内核锁—— 进程调度

Posted 2022-12-09 zqixiao_09

      学习内核锁之前，我们先了解一下关于内核的基础知识，以便更好的学习内核锁的使用！

      下面我们先学习一下进程调度：

一、进程调度

调度什么时候发生？即：schedule()函数什么时候被调用？
调度的发生有两种方式：
1、主动式
在内核中直接调用schedule()。当进程需要等待资源等而暂时停止运行时，会把状态置于挂起（睡眠），并主动请求调度，让出CPU。
主动放弃cpu例: 
1. current->state = TASK_INTERRUPTIBLE; 
2. schedule();

2、被动式（抢占）
用户抢占（Linux2.4、Linux2.6）
内核抢占(Linux2.6)
用户抢占发生在：
* 从系统调用返回用户空间。
* 从中断处理程序返回用户空间。
内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched标志被设置，会导致schedule()被调用，此时就会发生用户抢占.

* ENTRY(ret_from_exception) //异常返回
get_thread_info tsk
mov why, #0
b ret_to_user
* __irq_usr: //在用户态收到中断
usr_entry
kuser_cmpxchg_check
…… …… ……
b ret_to_user

ENTRY(ret_to_user)
ret_slow_syscall:
disable_irq @ disable interrupts
ldrr1, [tsk, #TI_FLAGS]
tstr1, #_TIF_WORK_MASK
bne work_pending

work_pending:
tstr1, #_TIF_NEED_RESCHED
bne work_resched
work_resched:
bl schedule

 

二、内核抢占

内核抢占:
* 在不支持内核抢占的系统中，进程/线程一旦运行于内核空间，就可以一直执行，直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行。
* 在支持内核抢占的系统中，更高优先级的进程/线程可以抢占正在内核空间运行的低优先级进程/线程。

在支持内核抢占的系统中，某些特例下是不允许内核抢占的：
* 内核正进行中断处理。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。
* 内核正在进行中断上下文的Bottom Half(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。
* 进程正持有spinlock自旋锁、writelock/readlock读写锁等，当持有这些锁时，不应该被抢占，否则由于抢占将导致其他CPU长期不能获得锁而死等。
* 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。

为保证Linux内核在以上情况下不会被抢占，抢占式内核使用了一个变量preempt_count，称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info结构中。每当内核要进入以上几种状态时，变量preempt_count就加1，指示内核不允许抢占。每当内核从以上几种状态退出时，变量preempt_count就减1，同时进行可抢占的判断与调度。

内核抢占可能发生在：
* 中断处理程序完成，返回内核空间之前。
* 当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁及使能软中断等。

内核抢占(中断):

__irq_svc: /*内核态接收到中断*/
svc_entry
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
/*进入中断，抢占计数加1*/
#ifdef CONFIG_PREEMPT
get_thread_info tsk
ldr r8, [tsk, #TI_PREEMPT] @ get preempt count
add r7, r8, #1 @ increment it
str r7, [tsk, #TI_PREEMPT]
#endif
irq_handler /*中断处理*/
#ifdef CONFIG_PREEMPT
str r8, [tsk, #TI_PREEMPT] @ restore preempt count
ldr r0, [tsk, #TI_FLAGS] @ get flags
teq r8, #0 @ if preempt count != 0
movne r0, #0 @ force flags to 0
tst r0, #_TIF_NEED_RESCHED
blne svc_preempt
#endif

svc_preempt:
mov r8, lr
1: bl preempt_schedule_irq /*调度*/ 
ldr r0, [tsk, #TI_FLAGS] 
tst r0, #_TIF_NEED_RESCHED
moveqpc, r8

 

内核抢占（解锁）:

void __lockfunc _spin_unlock(spinlock_t 
*lock)

spin_release(&lock->dep_map, 1, 
_RET_IP_);
_raw_spin_unlock(lock);
preempt_enable();

define preempt_enable() \\
do  \\
preempt_enable_no_resched(); \\
barrier(); \\
preempt_check_resched(); \\
 while (0)

#define preempt_enable_no_resched() \\
do  \\
barrier(); \\
dec_preempt_count();\\
/*抢占计数减一*/
 while (0)

#define preempt_check_resched() \\
do  \\
if (unlikely(test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED))) \\
preempt_schedule();\\ /*调度*/
 while (0)