Linux内核抢占：preempt_count计数器

Linux内核抢占：preempt_count计数器

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什么是内核抢占

在Linux系统中，当一个进程正在内核态运行时，另一个进程能否打断它？这就是内核抢占（Preemption）要解决的问题。内核抢占允许高优先级进程打断低优先级进程的内核态执行，是实现实时性的关键机制。而这一切的核心，都由preempt_count计数器控制。

preempt_count计数器的工作原理

preempt_count是每个进程task_struct中的一个整数计数器，用于跟踪内核抢占的禁用状态。它通过以下方式工作：

1. 初始值为0，表示允许抢占
2. 进入临界区时递增（如获取自旋锁）
3. 退出临界区时递减
4. 只有当计数器为0且内核处于可抢占状态时，抢占才会发生

计数器操作的核心场景

自旋锁与抢占控制

获取自旋锁时会自动禁用抢占：

void spin_lock(spinlock_t *lock) {
    preempt_disable();      // preempt_count++
    raw_spin_lock(lock);
}

void spin_unlock(spinlock_t *lock) {
    raw_spin_unlock(lock);
    preempt_enable();       // preempt_count--
}

中断处理中的抢占控制

中断处理期间内核自动禁用抢占，通过preempt_count跟踪中断嵌套层数。当中断返回时，会检查preempt_count是否为0，决定是否触发抢占调度。

中断处理相关代码：Interrupts/linux-interrupts-5.md

信号量与抢占

信号量操作也会影响抢占状态。获取信号量时，若资源不可用，进程会进入睡眠状态，此时内核会重新启用抢占：

void down(struct semaphore *sem) {
    raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (sem->count > 0)
        sem->count--;
    else {
        // 将进程加入等待队列
        __down(sem);       // 这里会调用schedule()，允许抢占
    }
    raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

信号量实现代码：SyncPrim/linux-sync-3.md

抢占计数的调试

内核提供了多种调试接口跟踪preempt_count状态：

• preempt_count()：获取当前计数器值
• debug_preempt_off()：检查抢占是否被正确启用
• sched_show_task()：显示任务的抢占状态信息

总结

preempt_count计数器是Linux内核抢占机制的核心，通过简单的增减操作，实现了对内核临界区的保护。理解它的工作原理，对于编写安全高效的内核代码至关重要。

关键要点

1. preempt_count为0时允许抢占
2. 自旋锁、中断会增加计数器值
3. 信号量等待时会暂时放弃CPU，允许抢占
4. 抢占检查发生在中断返回和特殊调度点

更多内核同步机制细节，请参考：SyncPrim/

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