今天要分享的是搶占相關(guān)的基礎(chǔ)知識。本文以內(nèi)核搶占為引子，概述一下 Linux 搶占的圖景。我盡量避開細(xì)節(jié)問題和源碼分析。

什么是內(nèi)核搶占？

別急，咱們慢慢來。

先理解搶占 （preemption） 這個(gè)概念：

involuntarily suspending a running process is called preemption

奪取一個(gè)進(jìn)程的 cpu 使用權(quán)的行為就叫做搶占。

根據(jù)是否可以支持搶占，多任務(wù)操作系統(tǒng) （multitasking operating system） 分為 2 類：

1、cooperative multitasking os

這種 os，進(jìn)程會一直運(yùn)行直到它自愿停下來。這種自愿停止運(yùn)行自己的行為稱為 yielding。協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)，一聽就知道這是一個(gè)烏托邦式的系統(tǒng)，只有當(dāng)所有進(jìn)程都很 nice 并樂意經(jīng)常 yielding 時(shí)，系統(tǒng)才能正常工作。如果某個(gè)進(jìn)程太傻或者太壞，系統(tǒng)很快就完蛋了。

2、preemptive multitasking os

這種 os，會有一個(gè)調(diào)度器 （scheduler，其實(shí)就是一段用于調(diào)度進(jìn)程的程序），scheduler 決定進(jìn)程何時(shí)停止運(yùn)行以及新進(jìn)程何時(shí)開始運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的 cpu 使用權(quán)被 scheduler 分配給另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，就稱前一個(gè)進(jìn)程被搶占了。

你可以把 sheduler 想象成非常智能的交警，交警按照一定的交通規(guī)則、當(dāng)前的交通狀況以及車輛的優(yōu)先級 （救護(hù)車之類的），決定了哪些車可以行駛、哪些車要停下來等待。

很明顯，現(xiàn)階段，preemptive os 優(yōu)于 cooperative os。所以 Linux 被設(shè)計(jì)成 preemptive。

搶占的核心操作包括 2 個(gè)步驟：

1、從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài) （trap kernel），3 個(gè)路徑：

a. 系統(tǒng)調(diào)用，本質(zhì)是 soft interrupt，通常就是一條硬件指令 （x86 的 int 0x80）。

b. 硬件中斷，最典型的就是會周期性發(fā)生的 timer 中斷，或者其他各種外設(shè)中斷。

c. exception，例如 page fault、div 0。

2、陷入到內(nèi)核態(tài)后，在合適的時(shí)機(jī)下，調(diào)用 sheduler 選出一個(gè)最重要的進(jìn)程，如果被選中的不是當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程的話，就會執(zhí)行 context switch 切換到新的進(jìn)程。

根據(jù)搶占時(shí)機(jī)點(diǎn)的不同，搶占分為 2 種類型：

1、user preemption

這里的 user 并不是指在 user-space 里進(jìn)行搶占，而是指在返回 user-space 前進(jìn)行搶占，具體的：

When returning to user-space from a system call

When returning to user-space from an interrupt handler

即從 system call 和 interrupt handler 返回到 user-space 前進(jìn)行搶占，這時(shí)仍然是在 kernel-space 里，搶占是需要非常高的權(quán)限的事情，user-space 沒權(quán)利也不應(yīng)該干這事。

2、kernel preemption

Linux 2.6 之前是不支持內(nèi)核搶占的。這意味著當(dāng)處于用戶空間的進(jìn)程請求內(nèi)核服務(wù)時(shí)，在該進(jìn)程阻塞（進(jìn)入睡眠）等待某事（通常是 I/O）或系統(tǒng)調(diào)用完成之前，不能調(diào)度其他進(jìn)程。支持內(nèi)核搶占意味著當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核里運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程可以搶占第一個(gè)進(jìn)程并被允許運(yùn)行，即使第一個(gè)進(jìn)程尚未完成其在內(nèi)核里的工作。

支持內(nèi)核搶占 vs 不支持內(nèi)核搶占

在上圖中，進(jìn)程 A 已經(jīng)通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，也許是對設(shè)備或文件的 write（） 調(diào)用。內(nèi)核代表進(jìn)程 A 執(zhí)行時(shí)，具有更高優(yōu)先級的進(jìn)程 B 被中斷喚醒。內(nèi)核搶占進(jìn)程 A 并將 CPU 分配給進(jìn)程 B，即使進(jìn)程 A 既沒有阻塞也沒有完成其在內(nèi)核里的工作。

內(nèi)核搶占的時(shí)機(jī)：

When an interrupt handler exits， before returning to kernel-space

When kernel code becomes preemptible again

If a task in the kernel explicitly calls schedule（）

If a task in the kernel blocks （which results in a call to schedule（） ）

為什么要引入內(nèi)核搶占？

根本原因：

trade-offs between latency and throughput

在系統(tǒng)延遲和吞吐量之間進(jìn)行權(quán)衡。

并不是說內(nèi)核搶占就是絕對的好，使用什么搶占機(jī)制最優(yōu)是跟你的應(yīng)用場景掛鉤的。如果不是為了滿足用戶，內(nèi)核其實(shí)是完全不想進(jìn)行進(jìn)程切換的，因?yàn)槊恳淮?context switch，都會有 overhead，這些 overhead 就是對 cpu 的浪費(fèi)，意味著吞吐量的下降。

但是，如果你想要系統(tǒng)的響應(yīng)性好一點(diǎn)，就得盡量多的允許搶占的發(fā)生，這是 Linux 作為一個(gè)通用操作系統(tǒng)所必須支持的。當(dāng)你的系統(tǒng)做到隨時(shí)都可以發(fā)生搶占時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)性就會非常好。

為了讓用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行配置，Linux 提供了 3 種 Preemption Model。

CONFIG_PREEMPT_NONE=y：不允許內(nèi)核搶占，吞吐量最大的 Model，一般用于 Server 系統(tǒng)。

CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY=y：在一些耗時(shí)較長的內(nèi)核代碼中主動調(diào)用cond_resched（）讓出CPU，對吞吐量有輕微影響，但是系統(tǒng)響應(yīng)會稍微快一些。

CONFIG_PREEMPT=y：除了處于持有 spinlock 時(shí)的 critical section，其他時(shí)候都允許內(nèi)核搶占，響應(yīng)速度進(jìn)一步提升，吞吐量進(jìn)一步下降，一般用于 Desktop / Embedded 系統(tǒng)。

另外，還有一個(gè)沒有合并進(jìn)主線內(nèi)核的 Model： CONFIG_PREEMPT_RT，這個(gè)模式幾乎將所有的 spinlock 都換成了 preemptable mutex，只剩下一些極其核心的地方仍然用禁止搶占的 spinlock，所以基本可以認(rèn)為是隨時(shí)可被搶占。

搶占前的檢查

這里的檢查是同時(shí)針對所有的 preemption 的。如果你理解了前面的 4 種 preempiton model 的話，應(yīng)該能感覺到其實(shí)是不用太嚴(yán)格區(qū)分 user / kernel preemption，所有搶占的作用和性質(zhì)都一樣：降低 lantency，完全可以將它們一視同仁。

搶占的發(fā)生要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：

需要搶占;

能搶占;

1、是否需要搶占？

判斷是否需要搶占的依據(jù)是：thread_info 的成員 flags 是否設(shè)置了 TIF_NEED_RESCHED 標(biāo)志位。

相關(guān)的 API：

set_tsk_need_resched（） 用于設(shè)置該 flag。

tif_need_resched（） 被用來判斷該 flag 是否置位。

resched_curr（struct rq *rq），標(biāo)記當(dāng)前 runqueue 需要搶占。

2、是否能搶占？

搶占發(fā)生的前提是要確保此次搶占是安全的 （preempt-safe）。什么才是 preempt-safe：不產(chǎn)生 race condition / deadlock。

值得注意的是，只有 kernel preemption 才有被禁止的可能，而 user preemption 總是被允許，因此這時(shí)馬上就要返回 user space 了，肯定是處于一個(gè)可搶占的狀態(tài)了。

在引入內(nèi)核搶占機(jī)制的同時(shí)引入了為 thread_info 添加了新的成員：preempt_count ，用來保證搶占的安全性，獲取鎖時(shí)會增加 preempt_count，釋放鎖時(shí)則會減少。搶占前會檢查 preempt_count 是否為 0，為 0 才允許搶占。

相關(guān)的 API：

preempt_enable（），使能內(nèi)核搶占，可嵌套調(diào)用。

preempt_disable（），關(guān)閉內(nèi)核搶占，可嵌套調(diào)用。

preempt_count（），返回 preempt_count。

什么場景會設(shè)置需要搶占 （TIF_NEED_RESCHED = 1）

通過 grep resched_curr 可以找出大多數(shù)標(biāo)記搶占的場景。

下面列舉的是幾個(gè)我比較關(guān)心的場景。

1、周期性的時(shí)鐘中斷

時(shí)鐘中斷處理函數(shù)會調(diào)用 scheduler_tick（），它通過調(diào)度類（scheduling class） 的 task_tick 方法 檢查進(jìn)程的時(shí)間片是否耗盡，如果耗盡則標(biāo)記需要搶占：

// kernel/sched/core.c

void scheduler_tick（void）

{

［。..］

curr-》sched_class-》task_tick（rq， curr， 0）;

［。..］

}

Linux 的調(diào)度策略被封裝成調(diào)度類，例如 CFS、Real-Time。CFS 調(diào)度類的 task_tick（） 如下：

// kernel/sched/fair.c

task_tick_fair（）

-》 entity_tick（）

-》 resched_curr（rq_of（cfs_rq））;

2、喚醒進(jìn)程的時(shí)候

當(dāng)進(jìn)程被喚醒的時(shí)候，如果優(yōu)先級高于 CPU 上的當(dāng)前進(jìn)程，就會觸發(fā)搶占。相應(yīng)的內(nèi)核代碼中，try_to_wake_up（） 最終通過 check_preempt_curr（） 檢查是否標(biāo)記需要搶占：

// kernel/sched/core.c

void check_preempt_curr（struct rq *rq， struct task_struct *p， int flags）

{

const struct sched_class *class;

if （p-》sched_class == rq-》curr-》sched_class） {

rq-》curr-》sched_class-》check_preempt_curr（rq， p， flags）;

} else {

for_each_class（class） {

if （class == rq-》curr-》sched_class）

break;

if （class == p-》sched_class） {

resched_curr（rq）;

break;

}

}

}

［。..］

}

參數(shù) “p” 指向被喚醒進(jìn)程，“rq” 代表搶占的 CPU。如果 p 的調(diào)度類和 rq 當(dāng)前的調(diào)度類相同，則調(diào)用 rq 當(dāng)前的調(diào)度類的 check_preempt_curr（） （例如 cfs 的 check_preempt_wakeup（）） 來判斷是否要標(biāo)記需要搶占。

如果 p 的調(diào)度類 》 rq 當(dāng)前的調(diào)度類，則用 resched_curr（） 標(biāo)記需要搶占，反之，則不標(biāo)記。

3、新進(jìn)程創(chuàng)建的時(shí)候

如果新進(jìn)程的優(yōu)先級高于 CPU 上的當(dāng)前進(jìn)程，會需要觸發(fā)搶占。相應(yīng)的代碼是 sched_fork（），它再通過調(diào)度類的 task_fork（） 標(biāo)記需要搶占：

// kernel/sched/core.c

int sched_fork（unsigned long clone_flags， struct task_struct *p）

{

［。..］

if （p-》sched_class-》task_fork）

p-》sched_class-》task_fork（p）;

［。..］

}

// kernel/sched/fair.c

static void task_fork_fair（struct task_struct *p）

{

［。..］

if （sysctl_sched_child_runs_first && curr && entity_before（curr， se）） {

resched_curr（rq）;

}

［。..］

}

4、進(jìn)程修改 nice 值的時(shí)候

如果修改進(jìn)程 nice 值導(dǎo)致優(yōu)先級高于 CPU 上的當(dāng)前進(jìn)程，也要標(biāo)記需要搶占，代碼見 set_user_nice（）。

// kernel/sched/core.c

void set_user_nice（struct task_struct *p， long nice）

{

［。..］

// If the task increased its priority or is running and lowered its priority， then reschedule its CPU

if （delta 《 0 || （delta 》 0 && task_running（rq， p）））

resched_curr（rq）;

}

還有很多場景，這里就不一一列舉了。

什么場景下要禁止內(nèi)核搶占 （preempt_count 》 0）

有幾種場景是明確需要關(guān)閉內(nèi)核搶占的。

1、訪問 Per-CPU data structures 的時(shí)候

看下面這個(gè)例子：

struct this_needs_locking tux［NR_CPUS］;

tux［smp_processor_id（）］ = some_value;

/* task is preempted here.。. */

something = tux［smp_processor_id（）］;

如果搶占發(fā)生在注釋所在的那一行，當(dāng)進(jìn)程再次被調(diào)度時(shí)，smp_processor_id（） 值可能已經(jīng)發(fā)生變化了，這種場景下需要通過禁止內(nèi)核搶占來做到 preempt safe。

2、訪問 CPU state 的時(shí)候

這個(gè)很好理解，你正在操作 CPU 相關(guān)的寄存器以進(jìn)行 context switch 時(shí)，肯定是不能再允許搶占。

asmlinkage __visible void __sched schedule（void）

{

struct task_struct *tsk = current;

sched_submit_work（tsk）;

do {

// 調(diào)度前禁止內(nèi)核搶占

preempt_disable（）;

__schedule（false）;

sched_preempt_enable_no_resched（）;

} while （need_resched（））;

sched_update_worker（tsk）;

}

3、持有 spinlock 的時(shí)候

支持內(nèi)核搶占，這意味著進(jìn)程有可能與被搶占的進(jìn)程在相同的 critical section 中運(yùn)行。為防止這種情況，當(dāng)持有自旋鎖時(shí)，要禁止內(nèi)核搶占。

static inline void __raw_spin_lock（raw_spinlock_t *lock）

{

preempt_disable（）;

spin_acquire（&lock-》dep_map， 0， 0， _RET_IP_）;

LOCK_CONTENDED（lock， do_raw_spin_trylock， do_raw_spin_lock）;

}

還有很多場景，這里就不一一列舉了。

真正執(zhí)行搶占的地方

這部分是 platform 相關(guān)的，下面以 ARM64 Linux-5.4 為例，快速看下執(zhí)行搶占的具體代碼。

執(zhí)行 user preemption

系統(tǒng)調(diào)用和中斷返回用戶空間的時(shí)候：

它們都是在 ret_to_user（） 里判斷是否執(zhí)行用戶搶占。

// arch/arm64/kernel/entry.S

ret_to_user（） // 返回到用戶空間

work_pending（）

do_notify_resume（）

schedule（）

// arch/arm64/kernel/signal.c

asmlinkage void do_notify_resume（struct pt_regs *regs，

unsigned long thread_flags）

{

do {

［。..］

// 檢查是否要需要調(diào)度

if （thread_flags & _TIF_NEED_RESCHED） {

local_daif_restore（DAIF_PROCCTX_NOIRQ）;

schedule（）;

} else {

［。..］

} while （thread_flags & _TIF_WORK_MASK）;

}

執(zhí)行 kernel preemption

中斷返回內(nèi)核空間的時(shí)候：

// arch/arm64/kernel/entry.S

el1_irq

irq_handler

arm64_preempt_schedule_irq

preempt_schedule_irq

__schedule（true）

// kernel/sched/core.c

/* This is the entry point to schedule（） from kernel preemption */

asmlinkage __visible void __sched preempt_schedule_irq（void）

{

［。..］

do {

preempt_disable（）;

local_irq_enable（）;

__schedule（true）;

local_irq_disable（）;

sched_preempt_enable_no_resched（）;

} while （need_resched（））;

exception_exit（prev_state）;

}

內(nèi)核恢復(fù)為可搶占的時(shí)候：

前面列舉了集中關(guān)閉搶占的場景，當(dāng)離開這些場景時(shí)，會恢復(fù)內(nèi)核搶占。

例如 spinlock unlock 時(shí)：

static inline void __raw_spin_unlock（raw_spinlock_t *lock）

{

spin_release（&lock-》dep_map， 1， _RET_IP_）;

do_raw_spin_unlock（lock）;

preempt_enable（）; // 使能搶占時(shí)，如果需要，就會執(zhí)行搶占

}

// include/linux/preempt.h

#define preempt_enable（）

do {

barrier（）;

if （unlikely（preempt_count_dec_and_test（）））

__preempt_schedule（）;

} while （0）

內(nèi)核顯式地要求調(diào)度的時(shí)候：

內(nèi)核里有大量的地方會顯式地要求進(jìn)行調(diào)度，最常見的是：cond_resched（） 和 sleep（）類函數(shù)，它們最終都會調(diào)用到 __schedule（）。

內(nèi)核阻塞的時(shí)候：

例如 mutex，sem，waitqueue 獲取不到資源，或者是等待 IO。這種情況下進(jìn)程會將自己的狀態(tài)從TASK_RUNNING 修改為 TASK_INTERRUPTIBLE，然后調(diào)用 schedule（） 主動讓出 CPU 并等待喚醒。

// block/blk-core.c

static struct request *get_request（struct request_queue *q， int op，

int op_flags， struct bio *bio，

gfp_t gfp_mask）

{

［。..］

prepare_to_wait_exclusive（&rl-》wait［is_sync］， &wait，

TASK_UNINTERRUPTIBLE）;

io_schedule（）; // 會調(diào)用 schedule（）;

［。..］

}

責(zé)任編輯：haq