linux内核的preempt抢占调度，preempt_count抢占保护“锁”

Posted 2020-09-17 bbqz007

抢断调度，是调度机制对实时系统需要的支持，是一种快速响应的重调度机制。既然与重调度有关，那么就先回顾一下调度和重调度。

 

调度分两种情况，
1. 一种是自愿调度，由代码主动调用schedule来让度cpu，例如sleep，mutex,sema等阻塞等待。另外，当一个进程（或线程）走到尽头（do_exit）时，也会调用schedule，但是却永远不再恢复执行了，否则就是BUG了。
2. 另一种是重调度，非自愿的。当前线程被设置重调度后，当有中断发生或系统调用时，在entry.S的返回路径上就会被动调用schedule。而抢断调度，也是重调度，却不必等待到中断发生或系统调用，在处理结束后离开entry.S才进行调度。而是在离开抢断临界区就马上进行调度。

 

一般地，在自愿调度之前，当前线程都会将自身的task_struct挂接在某一等待队列上，如wait_queue_t。并且将自身的state设置为INTERRPUTABLE或UNINTERRUTABLE（允许信号唤醒或不允许），最后才调用schedule。在这种情况下，schedule的执行会将当前的task_struct移除出它所在的运行队列。
而重调度或都抢断的重调度，schedule是不会将当前的task_struct移除出它所在运行队列。

 

重调度分两步：
1. 将当前运行线程的设置为TIF_NEED_RESCHED，当前线程可能在抢断保护的临界区中。通常wakeup的目标线程在当前cpu上，则设置可以直接设置重调度。
2. a. 当离开抢断保护的临界区，马上检查是否需要重调度，是否立即进行调度。
    b. 中断处理结束，软中断处理结束，或系统调用结束，恢复到原来的代码之前，进行重调度。

简单地说：
先在某处调用resched_curr对当前线程所在的调度策略的队列进行重调度的评判，可以则标记需要重调度，但并不进行实质的调用。
当要切换上下文，如中断处理结束，系统调用结束时，再调用schedule进行实质的调度工作 。
或者直接在离开抢断保护的临界区就马上调用preempt_schedule进行调度。

我们熟知的wakeup以及时间片轮转调度实际就是调用resched_curr。

 

resched_curr 重调度当前cpu的某一调度策略的运行队列
有三步工作：
1. 当前线程是否已经设为重调度
2. 重调度的目标的运行队列所属cpu是否也当前运行的cpu?
    如果是则进行下面两步：
      a. 设置重调度标记 TIF_NEED_RESCHED
      b. 向当前CPU的preempt_count设置重调度 PREEMPT_NEED_RESCHED。
3. 向远端CPU发送重调度IPI（Inter-processor interrupt）。

 

抢断保护“锁”，是一个保护临界区内不被重调度需求而抢断进行调度。这个锁独立保护每一个cpu（当前运行的线程），而不是保护线程并发临界区。它是可递归，没有竞争状态，不会阻塞，不存在竞态条件。每一个cpu都有一个抢断保护锁。这个锁只是一个32位名为__preempt_count整形变量。它为中断，软中断，普通抢断保护提供嵌套深度，同时也用作为软中断锁，保护软中断处理不递归进入。中断处理，软中断处理同样是抢断保护的临界区，不允许被重调度抢断。

抢断保护"锁"，除了保护了临界区不被重调度推断外，同时也为快速响应重调度提供了响应的时机，那就是抢断临界区离开的时候。因为entry.S上对重调度的响应，往往是被动的，必须等待有中断发生或系统调用等不确定的事件，使内核经过entry.S并离开时才会响应重调度。而抢断调度则是代码在离开临界区的时候主动去响应重调度。如果没有了抢断保护锁__preempt_count，代码就不清楚什么时候才合适去响应重调度。只好被动延后到经过entry.S，从而不能及时最快地去响应重调度。

 

抢断调度，由函数preempt_schedule进行，必须主动调用。这个函数嵌入到了每一处离开抢断临界区的代码中，比如内核无处不在的同步锁释放，spin_unlock, rwlock_unlock, rcu_read_unlock, spin_trylock, 以及pagefault_enable等。这些函数都会嵌入preempt_enable。

在抢占调度中，CPU的__preempt_count被设置PREEMPT_ACTIVE 用来提示 __schedule() ，我们是从preempt path 进来的。PREEMPT_ACTIVE 用来保护重调度不嵌套抢断。当前被抢断的线程在恢复运行之前，运行在当前cpu的其它线程不可以再进行抢断。

 

这里必须要清楚这样一个事实，软件中断保护锁也是在使用抢断保护锁，当离开软中断处理的同时，也等同于离开一层抢断临界区，这时只要不存在嵌套临界区的话，就可以进行抢断调试。__local_bh_enable_ip嵌入了preempt_check_enable。