【51CTO晃荡】8.26 带你深度懂得清华大年夜学、搜狗基于算法的IT运维实践与摸索

本文起首介绍非抢占式内核(Non-Preemptive Kernel)和可抢占式内核(Preemptive Kernel)的差别。接着分析Linux下有两种抢占：用户态抢占(User Preemption)、内核态抢占(Kernel Preemption)。然后分析了在内核态下：若何断定可否抢占内核(什么是可抢占的前提);何时触发从新调剂(何时设置可抢占前提);抢占产生的机会(何时检查可抢占的前提);什么时刻不克不及抢占内核。最后分析了2.6kernel中若何支撑抢占内核。

为了简化问题，我应用嵌入式及时体系uC/OS作为例子。起重要指出的是，uC/OS只有内核态，没有效户态，这和Linux不一样。

多义务体系中，内核负责治理各个义务，或者说为每个义务分派CPU时光，并且负责义务之间的通信。内核供给的根本办事是义务切换。调剂(Scheduler),英文还有一词叫dispatcher，也是调剂的意思。这是内核的重要职责之一，就是要决定该轮到哪个义务运行了。多半及时内核是基于优先级调剂法的。每个义务根据其重要程度的不合被付与必定的优先级。基于优先级的调剂法指，CPU老是让处在就绪态的优先级最高的义务先运行。然而，毕竟何时让高优先级义务控制CPU的应用权，有两种不合的情况，这要看竽暌姑的是什么类型的内核，是弗成剥夺型的┞氛样可剥夺型内核。

非抢占式内核

4.1 数据构造

非抢占式内核是由义务主动放弃CPU的应用权。非抢占式调剂法也称作合作很多义务，各个义务彼此合作共享一个CPU。异尘事宜照样由中断办事来处理。中断办事可以矢荷琐高优先级的义务由挂起状况变为就绪状况。但中断办事今后控制权照样回到本来被中断了的那个义务，直到该义务主动放弃CPU的应用权时，那个高优先级的义务才能获得CPU的应用权。非抢占式内核如下图所示。

非抢占式内核的长处有：中断响应快(与抢占式内核比较);

许可应用弗成重入函数;

几乎不须要应用旌旗灯号量保护共享数据。运行的义务占领CPU，不必担心被其余义务抢占。这不是绝对的，在打印机的应用上，仍须要知足互斥前提。

非抢占式内核的缺点有：义务响应时光慢。高优先级的义务已经进入就绪态，但还不克不及运行，要比及当前运行着的义务释放CPU。

非抢占式内核的义务级响应时光是不肯定的，不知道什么时刻最高优先级的义务才能拿到CPU的┞菲握权，完全取决于应用法度榜样什么时坷矸⑴CPU。

抢占式内核

应用抢占式内核可以包管体系响应时光。最高优先级的义务一旦就绪，总能获得CPU的应用权。当一个运行着的义务矢荷琐比它优先级高的义务进入了就绪态，当前义务的CPU应用权就会被剥夺，或者说被挂起了，那个高优先级的义务急速获得了CPU的┞菲握权。如不雅是中断办事子法度榜样矢荷琐高优先级的义务进入就绪态，中断完成时，中断了的义务被挂起，优先级高的那个义务开端运行。抢占式内核如下图所示。

1. 非抢占式和可抢占式内核的差别

抢占式内核的长处有：应用抢占式内核，最高优先级的义务什么时刻可以履行，可以获得CPU的应用权是可知的。应用抢占式内核使得义务级响应时光得以最优化。

抢占式内核的缺点有：不克不及直接应用弗成重入型函数。调用弗成重入函数时，要知足互斥前提，这点可以应用互斥型旌旗灯号量来实现。如不雅调用弗成重入型函数时，低优先级的义务CPU的应用权被高优先级义务剥夺，弗成重入型函数中的数据有可能被破坏。

need_resched()：检查need_ resched标记的值;如不雅被设置就返回真，不然返回假

2. Linux下的用户态抢占和内核态抢占

Linux除了内核态外还有效户态。用户法度榜样的高低文属于用户态，体系调用和中断处理例程高低文属于内核态。在2.6 kernel以前，Linux kernel只支撑用户态抢占。

2.1 用户态抢占(User Preemption)

在kernel返回用户态(user-space)时，并且need_resched标记为1时，scheduler被调用，这就是用户态抢占。当kernel返回用户态时，体系可以安然的履行当前的义务，或者切换到别的一个义务。傍边断处理例程或者体系调用完成后，kernel返回用户态时，need_resched标记的值会被检查，假如它为1，调剂器会选择一个新的义务并履行。

中断和体系调用的返回路径(return path)的实如今entry.S中(entry.S不仅包含kernel entry code，也包含kernel exit code)。

2.2 内核态抢占(Kernel Preemption)

在2.6 kernel以前，kernel code(中断和体系调用属于kernel code)会一向运行，直到code被完成或者被壅塞(体系调用可以被壅塞)。在 2.6 kernel里，Linux kernel变成可抢占式。昔时夜中断处理例程返回到内核态(kernel-space)时，kernel会检查是否可以抢占和是否须要从新调剂。kernel可以在任何时光点上抢占一个义务(因为中断可以产生在任何时光点上)，只要在这个时光点上kernel的状况是安然的、可从新调剂的。

3. 内核态抢占的设计

3.1 可抢占的前提

要知足什么前提，kernel才可以抢占一个义务的内核态呢?没持有锁。锁是用于保护临界区的，不克不及被抢占。

Kernel code可重入(reentrant)。因为kernel是SMP-safe的，所以知足可重人道。

3.2 内核态须要抢占的触发前提

内核供给了一个need_resched标记(这个标记在义务构造thread_info中)来注解是否须要从新履行调剂。

若何断定当前高低文(中断处理例程、体系调用、内核线程等)是没持有锁的?Linux在每个每个义务的thread_info构造中增长了preempt_count变量作为preemption的计数器。这个变量初始为0，当加锁时计数器增一，当解锁时计数器减一。

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