Linux 网络协议栈之内核锁(二)—— 内核抢占

本文探讨了Linux早期不可抢占内核存在的问题,以及引入内核抢占机制的原因和实现方式。内核抢占允许高优先级任务在系统调用期间抢占低优先级进程,但必须在特定条件下才能安全进行,如不在中断处理或临界区。内核通过在适当位置插入调度检查点,保护临界代码,并使用preempt_count等机制来控制抢占。文章还介绍了内核抢占相关的API函数和抢占调度过程。

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一、内核抢占

    早期的Linux核心是不可抢占的。它的调度方法是:一个进程可以通过schedule()函数自愿地启动一次调度。非自愿的强制性调度只能发生在每次从系统调用返回的前夕以及每次从中断或异常处理返回到用户空间的前夕。但是,如果在系统空间发生中断或异常是不会引起调度的。这种方式使内核实现得以简化。但常存在下面两个问题:

1、如果这样的中断发生在内核中,本次中断返回是不会引起调度的,而要到最初使CPU从用户空间进入内核空间的那次系统调用或中断(异常)返回时才会发生调度

2、另外一个问题是优先级反转。在Linux中,在核心态运行的任何操作都要优先于用户态进程,这就有可能导致优先级反转问题的出现。例如,一个低优先级的用户进程由于执行软/硬中断等原因而导致一个高优先级的任务得不到及时响应。

     当前的Linux内核加入了内核抢占(preempt)机制。内核抢占指用户程序在执行系统调用期间可以被抢占,该进程暂时挂起,使新唤醒的高优先级进程能够运行。这种抢占并非可以在内核中任意位置都能安全进行,比如在临界区中的代码就不能发生抢占。临界区是指同一时间内不可以有超过一个进程在其中执行的指令序列。在Linux内核中这些部分需要用自旋锁保护

    内核抢占要求内核中所有可能为一个以上进程共享的变量和数据

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