PREEMPT RT 实现原理

本文详细介绍了PREEMPT RT在Linux内核中的实现原理,涉及多个关键补丁的解析,包括中断处理优化、内存分配改进、死锁检测和打印函数的性能提升等方面,旨在增强系统的实时性和稳定性。

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在使用PREEMPT RT时,源文件可分为两种形式:一个大的patch文件包含所有功能;或一系列分离的patch文件,每个只实现特定的功能,例如https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt/[version]/patches***.xz。每个patch文件中都有各自实现功能的简要介绍。

  • blk-mq-Don-t-complete-on-a-remote-CPU-in-force-threa.patch 在block mq中,中断线程化模式下,禁用remote CPU处理request。
  • crash-add-VMCOREINFO-macro-to-define-offset-in-a-str.patch 为通过typedef 定义的class,实现与VMCOREINFO_OFFSET相同的功能,命名为VMCOREINFO_TYPE_OFFSET。
  • locking-rtmux-Remove-cruft.patch 删除rt_mutex的无用成员。
  • printk-refactor-kmsg_dump_get_buffer.patch,在printk.c中重构kmsg_dump_get_buffer(), 使之更接近syslog_print_all()的实现。
  • Split-IRQ-off-and-zone-lock-while-freeing-pages-from.patch(共四个子patch),在mm/page_alloc.c中,在free page时,将IRQ-off section分成两部分,先isolate_pcp_pages(), 再free_pcppage
### PREEMPT_RT 实时补丁介绍及原理 #### 什么是 PREEMPT_RTPREEMPT_RT 是一种用于增强 Linux 内核实时性能的补丁集合。它通过对内核进行修改,使得大部分内核代码变得可抢占,从而显著提高系统的实时响应能力[^1]。 #### 主要功能与目标 PREEMPT_RT 的核心目标是将 Linux 转变为一个支持硬实时特性的操作系统。为此,它引入了两种主要的抢占模型: - **Preemptible Kernel (Basic RT)**:此模式下的内核具有较低的延迟特性,适用于测试和调试场景。线程化的中断处理程序在此模式下成为强制选项[^2]。 - **Fully Preemptible Kernel (Real-Time)**:这是实现硬实时行为的核心模式,在这种模式下几乎所有的内核代码都可以被抢占。为了减少不可抢占的部分,PREEMPT_RT 使用了一些替代机制,例如睡眠自旋锁(sleeping spinlocks)和 `rt_mutex`,并通过替换大范围的不可抢占区域来进一步优化实时表现。 #### 中断线程化及其作用 PREEMPT_RT 提供了一种称为“中断线程化”的技术,即将传统的硬件中断转换为用户空间中的线程运行形式。这种方法允许中断处理程序像普通进程一样调度,并可以为其分配特定的优先级。这不仅提高了系统的灵活性,也改善了实时应用程序的时间敏感需求[^3]。 #### 测试工具与效果评估 对于非实时内核而言,即使在高负载情况下也可能不会明显表现出延迟问题;然而当切换到带有 PREEMPT_RT 补丁的实时内核后,利用诸如 `cyclictest` 这样的专用工具即可清晰观察到更低的任务执行周期抖动现象以及更稳定的系统反应速度[^4]。 ```bash sudo cyclictest -t -p99 -i500 -n ``` 上述命令展示了如何使用 `cyclictest` 来测量不同条件下时间间隔的变化情况,其中 `-p99` 参数指定了最高优先级级别以模拟最严格的实时环境要求。 --- ###
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