Linux中的preempt

preempt_count本质上是一个per-CPU的32位变量

，它在各种处理器架构下的存放位置和命名不尽相同，但其值都可以使用preempt_count()函数统一获取。preempt_count逻辑相关的核心代码位于include/linux/preempt.h，虽然只是一个32位变量，但由于其和中断、调度/抢占密切相关，因此在系统中发挥的作用不容小觑。

来看下preempt_count是怎样构成的：

hardirq相关

preempt_count中的第16到19个bit表示hardirq count，它记录了进入hardirq/top half的嵌套次数，在这篇文章介绍的do_IRQ()中，irq_enter()用于标记hardirq的进入，此时hardirq count的值会加1。irq_exit

()用于标记hardirq的退出，hardirq count的值会相应的减1。如果hardirq count的值为正数，说明现在正处于hardirq上下文中，代码中可借助in_irq()宏实现快速判断。注意这里的命名是"in_irq"而不是"in_hardirq"。

#define hardirq_count()   (preempt_count() & HARDIRQ_MASK)
#define in_irq()  (hardirq_count())

hardirq count占据4个bits，理论上可以表示16层嵌套，但现在Linux系统并不支持hardirq的嵌套执行，所以实际使用的只有1个bit。

之所以采用4个bits，一是历史原因，因为早期Linux并不是将中断处理的过程分为top half和bottom half，而是将中断分为fast interrupt handler和slow interrupt handler，而slow interrupt handler是可以嵌套执行的，二是某些 driver 代码可能在top half中重新使能hardirq。

softirq相关

preempt_count中的第8到15个bit表示softirq count

，它记录了进入softirq的嵌套次数，如果softirq count的值为正数，说明现在正处于softirq上下文中。由于softirq在单个CPU上是不会嵌套执行的，因此和hardirq count一样，实际只需要一个bit(bit 8)就可以了。但这里多出的7个bits并不是因为历史原因多出来的，而是另有他用。

这个"他用"就是表示在进程上下文中，为了防止进程被softirq所抢占，关闭/禁止softirq的次数，比如每使用一次local_bh_disable()，softirq count高7个bits(bit 9到bit 15)的值就会加1，使用local_bh_enable()则会让softirq count高7个bits的的值减1。

代码中可借助in_softirq()宏快速判断当前是否在softirq上下文：

#define softirq_count()  (preempt_count() & SOFTIRQ_MASK)
#define in_softirq()     (softirq_count())

这篇文章曾提到：进入softirq是在softirq上下文，关闭softirq抢占也是在softirq上下文，但还是有办法区分的。办法就是使用in_serving_softirq()宏来确切地表示现在是在处理softirq。

#define SOFTIRQ_OFFSET  (1UL << 8)
#define in_serving_softirq()  (softirq_count() & SOFTIRQ_OFFSET)

上下文

不管是hardirq上下文还是softirq上下文，都属于我们俗称的中断上下文(interrupt context)。

为此，有一个名为in_interrupt()的宏专门用来判断当前是否在中断上下文中。

#define irq_count()   (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK | NMI_MASK))
#define in_interrupt()  (irq_count())

与中断上下文相对应的就是俗称的进程上下文(process context)

#define in_task()  (!(preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_OFFSET | NMI_MASK)))

需要注意的是，并不是只有进程才会处在process context，内核线程

依然可以运行在process context。

在中断上下文中，调度是关闭的，不会发生进程的切换，这属于一种隐式的禁止调度，而在代码中，也可以使用preempt_disable

()来显示地关闭调度，关闭次数由第0到7个bits组成的preemption count(注意不是preempt count)来记录。每使用一次preempt_disable()，preemption count

的值就会加1，使用preempt_enable()则会让preemption count的值减1。preemption count占8个bits，因此一共可以表示最多256层调度关闭的嵌套。

处于中断上下文，或者显示地禁止了调度，preempt_count()的值都不为0，都不允许睡眠/调度的发生，这两种场景被统称为atomic上下文，可由in_atomic()宏给出判断。

#define in_atomic()  (preempt_count() != 0)

中断上下文、进程上下文和atomic上下文的关系大概可以表示成这样：

/** low level task data that entry.S needs immediate access to.* __switch_to() assumes cpu_context follows immediately after cpu_domain.*/
struct thread_info {unsigned long       flags;      /* low level flags */mm_segment_t       addr_limit; /* address limit */struct task_struct   *task;      /* main task structure */struct exec_domain *exec_domain;   /* execution domain */struct restart_block  restart_block;int           preempt_count;  /* 0 => preemptable, <0 => bug */int         cpu;        /* cpu */
};

在支持可抢占的系统中，一个进程的thread_info信息定义如上。其中preempt_count代表的是该进程是否可以被抢占，根据注释的说明当peermpt_count等于0的时候当前进程可以被抢占，当小于0存在bug，当大于0说明当前进程不可以被抢占。比如当前进程在中断上下文中或者使用了锁。

<linux/include/preempt_mask.h>
------------------------------------------
/** We put the hardirq and softirq counter into the preemption* counter. The bitmask has the following meaning:** - bits 0-7 are the preemption count (max preemption depth: 256)* - bits 8-15 are the softirq count (max # of softirqs: 256)** The hardirq count could in theory be the same as the number of* interrupts in the system, but we run all interrupt handlers with* interrupts disabled, so we cannot have nesting interrupts. Though* there are a few palaeontologic drivers which reenable interrupts in* the handler, so we need more than one bit here.** PREEMPT_MASK:   0x000000ff* SOFTIRQ_MASK:   0x0000ff00* HARDIRQ_MASK:   0x000f0000*     NMI_MASK:   0x00100000* PREEMPT_ACTIVE: 0x00200000*/
#define PREEMPT_BITS    8
#define SOFTIRQ_BITS    8
#define HARDIRQ_BITS    4
#define NMI_BITS    1

结合上述的示图和代码的定义可知，bit0-7代表的是抢占的次数，最大抢占深度为256次，bit8-15代表的是软中断的次数，最大也是256次，bit16-19表示中断的次数，注释的大概意思是避免中断嵌套，但是也不能防止某些驱动中断嵌套使用中断，所以嵌套16层也是最大次数了。bit20代表的NMI中断，bit21代表当前抢占是否active。

Linux系统为了方便得出各个字段的值，提供了一系列宏定义如下：

#define PREEMPT_SHIFT    0
#define SOFTIRQ_SHIFT   (PREEMPT_SHIFT + PREEMPT_BITS)                        //0+8=8
#define HARDIRQ_SHIFT   (SOFTIRQ_SHIFT + SOFTIRQ_BITS)                        //8+8=16
#define NMI_SHIFT   (HARDIRQ_SHIFT + HARDIRQ_BITS)                        //16+4=20#define __IRQ_MASK(x) ((1UL << (x))-1)#define PREEMPT_MASK  (__IRQ_MASK(PREEMPT_BITS) << PREEMPT_SHIFT)
#define SOFTIRQ_MASK    (__IRQ_MASK(SOFTIRQ_BITS) << SOFTIRQ_SHIFT)
#define HARDIRQ_MASK    (__IRQ_MASK(HARDIRQ_BITS) << HARDIRQ_SHIFT)
#define NMI_MASK    (__IRQ_MASK(NMI_BITS)     << NMI_SHIFT)#define PREEMPT_OFFSET (1UL << PREEMPT_SHIFT)                //1<<0
#define SOFTIRQ_OFFSET  (1UL << SOFTIRQ_SHIFT)                //1<<8
#define HARDIRQ_OFFSET  (1UL << HARDIRQ_SHIFT)                //1<<16
#define NMI_OFFSET  (1UL << NMI_SHIFT)                    //1<<20#define SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET (2 * SOFTIRQ_OFFSET)           //16#define PREEMPT_ACTIVE_BITS  1
#define PREEMPT_ACTIVE_SHIFT    (NMI_SHIFT + NMI_BITS)
#define PREEMPT_ACTIVE  (__IRQ_MASK(PREEMPT_ACTIVE_BITS) << PREEMPT_ACTIVE_SHIFT)#define hardirq_count()  (preempt_count() & HARDIRQ_MASK)                                     //硬中断count
#define softirq_count() (preempt_count() & SOFTIRQ_MASK)                                     //软中断count
#define irq_count() (preempt_count() & (HARDIRQ_MASK | SOFTIRQ_MASK \| NMI_MASK))                                                  //所有中断=硬+软+NMI

从上述的定义可以得出，如果想知道硬中断的次数就使用hardirq_count，如果想知道中断次数就使用softirq_count，如果想知道所有中断的次数就使用irq_count。

/** Are we doing bottom half or hardware interrupt processing?* Are we in a softirq context? Interrupt context?* in_softirq - Are we currently processing softirq or have bh disabled?* in_serving_softirq - Are we currently processing softirq?*/
#define in_irq()        (hardirq_count())
#define in_softirq()        (softirq_count())
#define in_interrupt()      (irq_count())
#define in_serving_softirq()    (softirq_count() & SOFTIRQ_OFFSET)

其中in_irq用于判断当前进程是否在硬中断中，in_softirq用于判断是否当前进程在软件中断或者有别的进程disable了软中断，in_interrupt用于判断当前进程是否在中断中，而in_serving_softirq用于判断当前进程是否在软件中断中，通过bit8这一位来判断。

#define in_atomic()  ((preempt_count() & ~PREEMPT_ACTIVE) != 0)

这个宏可以判断当前进程是否处于原子操作中。

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