Linux内核学习之内核控制路径

注：本文包含个人的一些理解和认知

内核控制路径

内核控制路径可以理解为内核代码的另一种叫法，它将内核代码分成三类，即，

1. 系统调用处理代码
2. 异常处理代码
3. 中断处理代码

其实，从某种意义上来说，它们都是一样的，都属于中断的一种。
系统调用是一种软中断，一般使用的是中断中，优先级较低的软中断，就像arm的svc指令
异常的话，也是一种中断，单从结果上来看的话，异常和中断没什么区别，都是让cpu停下当前正在做的事情，然后去响应突发事件。之所以有这两个概念，主要是想区分事件的来源。
谈异常的时候，更多的是指cpu内部事件，常指编程错误，如除数为0、访问无权限或者根本不存在的内存地址，由于内部事件时钟源都是系统时钟，因此事件一般都是同步的。
谈中断的时候，更多的是指cpu外部事件，即外部中断，由于外部事件具有不可预测性，因此中断往往是异步的，做成异步的另一个原因是，能提高中断的响应的及时性。

可重入性

内核控制路径都是设计成可重入的，可重复性能够保证多个进程同时进入内核态，能够提高程序的效率。实现可重入的一个基本方法就是尽可能使用局部变量，少使用全局变量，当然有些内核函数避免不了需要访问全局数据结构， 这时候，为了保证可重入性及数据的一致性，需要对全局变量的访问加锁处理，实际上加锁还不够，因为在锁内，代码仍然能够被中断打断，当中断程序也访问了那个全局变量，就会造成数据不安全，因此往往还需要配合关中断来实现。

交叉执行的内核控制路径

内核控制路径交叉执行说的是，一个内核控制路径未执行完成，另一个内核控制路径就开始执行，实际中会出现多个内核控制路径交叉执行。
内核控制路径交叉执行的场景可以归纳为四类：

1. 阻塞性系统调用
2. 内核态异常
3. 内核态中断
4. 内核态抢占

• 阻塞性系统调用，是指，应用程序调用了某些阻塞性的系统调用，比如等待一个socket接入，等待消息队列，这时，进程会在内核态阻塞，调度器会选择下一个进程投入执行，然后下一个进程又通过系统调用进入一个内核控制路径，这时，两个进程出现了两个内核控制路径，这两个内核控制路径分别代表两个进程进行执行。
• 内核态异常，实际上，一个设计调试好的内核，是不能随便在内核态产生异常的，因为异常是指内部事件，常指编程错误，是可预见、可避免的，正如其名，异常就是指不正常的事件，但是Linux内核巧妙的利用了少数异常来完成一些功能，比如利用缺页异常完成内存交换。当一个进程进入到内核控制路径，这时访问的地址触发了硬件缺页异常，然后CPU就会跳转了缺页异常处理程序，首先为进程分配页（就是建立页到物理页框的映射），然后将页表内容从磁盘读取到页内存（这个过程其实也相当费时，读磁盘的过程中甚至会发生进程切换，这里暂不讨论），这里就已经有了两个内核控制路径，一个是进程的系统调用，一个是异常处理，这两个内核控制路径都代表这进程的执行，时间都要算到该进程。
• 内核态中断，为了提升中断的响应速度，Linux内核代码大部分地方都是开启了中断的，当进程通过系统调用进入内核态后，这时，发生了中断，CPU会切换到中断执行程序，这里同样有两个内核控制路径，一个是系统调用，一个是中断处理程序，在当前Linux实现中，这个中断处理程序的执行时间被算给了这个进程，然而，中断程序是没有必要代表进程执行的。
• 内核态抢占，这需要在编译Linux内核时开启内核抢占功能，不是所有Linux都支持的。我们知道，进程调度中，最基础的时间片调度是通过定时器实现的，一般定时器1ms产生一次中断，在中断执行程序中，内核会检查就绪进程的优先级，选择一个最高优先级的进程投入执行。当一个进程通过系统调用进入内核后，刚好产生了定时中断，并且存在高优先级就绪进程，那么内核会立即切换到另一个进程运行，另一个进程也会通过系统调用进入内核控制路径。