Linux系统内核抢占补丁的基本原理

　　CPU在内核中运行时并不是处处不可抢占的，内核中存在一些空隙，在这时进行抢占是安全的，内核抢占补丁的基本原理就是将SMP可并行的代码段看成是可以进行内核抢占的区域。

　　2.4内核正好细化了多CPU下的内核线程同步机构，对不可并行的指令块用spinlock和rwlock作了细致的表示，该补丁的实现可谓水到渠成。具体的方法就是在进程的任务结构上增加一个preempt_count变量作为内核抢占锁，它随着spinlock和rwlock一起加锁和解锁。当preempt_count为0时表示可以进行内核调度。内核调度器的入口为preempt_schedule()，它将当前进程标记为TASK_PREEMPTED状态再调用schedule()，在TASK_PREEMPTED状态，schedule()不会将进程从运行队列中删除。

　　下面是内核抢占补丁的主要代码示意：

　　arch/i386/kernel/entry.S:

　　preempt_count = 4 # 将task_struct中的flags用作preempt_count,flags被移到了别

　　的位置

　　ret_from_exception: # 从异常返回

　　#ifdef CONFIG_SMP

　　GET_CURRENT(%ebx)

　　movl processor(%ebx),%eax

　　shll $CONFIG_X86_L1_CACHE_SHIFT,%eax

　　movl SYMBOL_NAME(irq_stat)(,%eax),%ecx # softirq_active

　　testl SYMBOL_NAME(irq_stat)+4(,%eax),%ecx # softirq_mask

　　#else

　　movl SYMBOL_NAME(irq_stat),%ecx # softirq_active

　　testl SYMBOL_NAME(irq_stat)+4,%ecx # softirq_mask

　　#endif

　　jne handle_softirq

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　cli

　　incl preempt_count(%ebx) # 异常的入口没有禁止内核调度的指令,与ret_from_intr

　　匹配一下

　　#endif

　　ENTRY(ret_from_intr) # 硬件中断的返回

　　GET_CURRENT(%ebx)

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　cli

　　decl preempt_count(%ebx) # 恢复内核抢占标志

　　#endif

　　movl EFLAGS(%esp),%eax # mix EFLAGS and CS

　　movb CS(%esp),%al

　　testl $(VM_MASK | 3),%eax # return to VM86 mode or non-supervisor?

　　jne ret_with_reschedule

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　cmpl $0,preempt_count(%ebx)

　　jnz restore_all # 如果preempt_count非零则表示禁止内核抢占

　　cmpl $0,need_resched(%ebx)

　　jz restore_all #

　　movl SYMBOL_NAME(irq_stat)+irq_stat_local_bh_count CPU_INDX,%ecx

　　addl SYMBOL_NAME(irq_stat)+irq_stat_local_irq_count CPU_INDX,%ecx

　　jnz restore_all

　　incl preempt_count(%ebx)

　　sti

　　call SYMBOL_NAME(preempt_schedule)

　　jmp ret_from_intr # 新进程返回,返回ret_from_intr恢复抢占标志后再返回

　　#else

　　jmp restore_all

　　#endif

　　ALIGN

　　handle_softirq:

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　cli

　　GET_CURRENT(%ebx)

　　incl preempt_count(%ebx)

　　sti

　　#endif

　　call SYMBOL_NAME(do_softirq)

　　jmp ret_from_intr

　　ALIGN

　　reschedule:

　　call SYMBOL_NAME(schedule) # test

　　jmp ret_from_sys_call

　　include/asm/hw_irq.h:

　　...

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　#define BUMP_CONTEX_SWITCH_LOCK

　　GET_CURRENT

　　"incl 4(%ebx) "

　　#else

　　#define BUMP_CONTEX_SWITCH_LOCK

　　#endif

　　#define SAVE_ALL 硬件中断保护入口现场

　　"cld "

　　"pushl %es "

　　"pushl %ds "

　　"pushl %eax "

　　"pushl %ebp "

　　"pushl %edi "

　　"pushl %esi "

　　"pushl %edx "

　　"pushl %ecx "

　　"pushl %ebx "

　　"movl $" STR(__KERNEL_DS) ",%edx "

　　"movl %edx,%ds "

　　"movl %edx,%es "

　　BUMP_CONTEX_SWITCH_LOCK # 硬件中断的入口禁止内核抢占

　　include/linux/spinlock.h:

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　#define switch_lock_count() current->preempt_count

　　#define in_ctx_sw_off() (switch_lock_count().counter) 判断当前进程的抢占计数

　　是否非零

　　#define atomic_ptr_in_ctx_sw_off() (&switch_lock_count())

　　#define ctx_sw_off() 禁止内核抢占

　　do {

　　atomic_inc(atomic_ptr_in_ctx_sw_off()); 当前进程的内核抢占计数增1

　　} while (0)

　　#define ctx_sw_on_no_preempt() 允许内核抢占

　　do {

　　atomic_dec(atomic_ptr_in_ctx_sw_off()); 当前进程的内核抢占计数减1

　　} while (0)

　　#define ctx_sw_on() 允许并完成内核抢占

　　do {

　　if (atomic_dec_and_test(atomic_ptr_in_ctx_sw_off()) &&

　　current->need_resched)

　　preempt_schedule();

　　} while (0)

　　#define spin_lock(lock)

　　do {

　　ctx_sw_off(); 进入自旋锁时禁止抢占

　　_raw_spin_lock(lock);

　　} while(0)

　　#define spin_trylock(lock) ({ctx_sw_off(); _raw_spin_trylock(lock) ? 锁定并

　　测试原来是否上锁

　　1 : ({ctx_sw_on(); 0;});})

　　#define spin_unlock(lock)

　　do {

　　_raw_spin_unlock(lock);

　　ctx_sw_on(); 离开自旋锁时允许并完成内核抢占

　　} while (0)

　　#define read_lock(lock) ({ctx_sw_off(); _raw_read_lock(lock);})

　　#define read_unlock(lock) ({_raw_read_unlock(lock); ctx_sw_on();})

　　#define write_lock(lock) ({ctx_sw_off(); _raw_write_lock(lock);})

　　#define write_unlock(lock) ({_raw_write_unlock(lock); ctx_sw_on();})

　　#define write_trylock(lock) ({ctx_sw_off(); _raw_write_trylock(lock) ?

　　1 : ({ctx_sw_on(); 0;});})

　　...

　　include/asm/softirq.h:

　　#define cpu_bh_disable(cpu) do { ctx_sw_off(); local_bh_count(cpu)++; barrie

　　r(); } while (0)

　　#define cpu_bh_enable(cpu) do { barrier(); local_bh_count(cpu)--;ctx_sw_on()

　　; } while (0)

　　kernel/schedule.c:

　　#ifdef CONFIG_PREEMPT

　　asmlinkage void preempt_schedule(void)

　　{