|
開講之前，咱們有必要看看這兩個(gè)概念： a -- 上下文 上下文是從英文context翻譯過(guò)來(lái)，指的是一種環(huán)境。相對(duì)于進(jìn)程而言，就是進(jìn)程執(zhí)行時(shí)的環(huán)境； 具體來(lái)說(shuō)就是各個(gè)變量和數(shù)據(jù)，包括所有的寄存器變量、進(jìn)程打開的文件、內(nèi)存信息等。 b -- 原子 原子（atom）本意是“不能被進(jìn)一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意為"不可被中斷的一個(gè)或一系列操作" ； 一、為什么會(huì)有上下文這種概念 內(nèi)核空間和用戶空間是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的兩種工作模式，內(nèi)核模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間，而用戶態(tài)應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間。它們代表不同的級(jí)別，而對(duì)系統(tǒng)資源具有不同的訪問(wèn)權(quán)限。內(nèi)核模塊運(yùn)行在最高級(jí)別（內(nèi)核態(tài)），這個(gè)級(jí)下所有的操作都受系統(tǒng)信任，而應(yīng)用程序運(yùn)行在較低級(jí)別（用戶態(tài)）。在這個(gè)級(jí)別，處理器控制著對(duì)硬件的直接訪問(wèn)以及對(duì)內(nèi)存的非授權(quán)訪問(wèn)。內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有自己的內(nèi)存映射，即自己的地址空間。 其中處理器總處于以下狀態(tài)中的一種： 內(nèi)核態(tài)，運(yùn)行于進(jìn)程上下文，內(nèi)核代表進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核空間； 內(nèi)核態(tài)，運(yùn)行于中斷上下文，內(nèi)核代表硬件運(yùn)行于內(nèi)核空間； 用戶態(tài)，運(yùn)行于用戶空間。 系統(tǒng)的兩種不同運(yùn)行狀態(tài)，才有了上下文的概念。用戶空間的應(yīng)用程序，如果想請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)，比如操作某個(gè)物理設(shè)備，映射設(shè)備的地址到用戶空間，必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。（系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給用戶空間的接口函數(shù)）。 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，用戶空間的應(yīng)用程序就會(huì)進(jìn)入內(nèi)核空間，由內(nèi)核代表該進(jìn)程運(yùn)行于內(nèi)核空間，這就涉及到上下文的切換，用戶空間和內(nèi)核空間具有不同的 地址映射，通用或?qū)Ｓ玫募拇嫫鹘M，而用戶空間的進(jìn)程要傳遞很多變量、參數(shù)給內(nèi)核，內(nèi)核也要保存用戶進(jìn)程的一些寄存器、變量等，以便系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后回到用戶 空間繼續(xù)執(zhí)行， 二、進(jìn)程上下文 所謂的進(jìn)程上下文，就是一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行的時(shí)候，CPU的所有寄存器中的值、進(jìn)程的狀態(tài)以及堆棧上的內(nèi)容，當(dāng)內(nèi)核需要切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它 需要保存當(dāng)前進(jìn)程的所有狀態(tài)，即保存當(dāng)前進(jìn)程的進(jìn)程上下文，以便再次執(zhí)行該進(jìn)程時(shí)，能夠恢復(fù)切換時(shí)的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行。 一個(gè)進(jìn)程的上下文可以分為三個(gè)部分:用戶級(jí)上下文、寄存器上下文以及系統(tǒng)級(jí)上下文。 用戶級(jí)上下文: 正文、數(shù)據(jù)、用戶堆棧以及共享存儲(chǔ)區(qū)； 寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、處理器狀態(tài)寄存器(EFLAGS)、棧指針(ESP)； 系統(tǒng)級(jí)上下文: 進(jìn)程控制塊task_struct、內(nèi)存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、內(nèi)核棧。 當(dāng)發(fā)生進(jìn)程調(diào)度時(shí)，進(jìn)行進(jìn)程切換就是上下文切換(context switch)。 操作系統(tǒng)必須對(duì)上面提到的全部信息進(jìn)行切換，新調(diào)度的進(jìn)程才能運(yùn)行。而系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行的是模式切換(mode switch)。模式切換與進(jìn)程切換比較起來(lái)，容易很多，而且節(jié)省時(shí)間，因?yàn)槟Ｊ角袚Q最主要的任務(wù)只是切換進(jìn)程寄存器上下文的切換。 進(jìn)程上下文主要是異常處理程序和內(nèi)核線程。內(nèi)核之所以進(jìn)入進(jìn)程上下文是因?yàn)檫M(jìn)程自身的一些工作需要在內(nèi)核中做。例如，系統(tǒng)調(diào)用是為當(dāng)前進(jìn)程服務(wù)的，異常通常是處理進(jìn)程導(dǎo)致的錯(cuò)誤狀態(tài)等。所以在進(jìn)程上下文中引用current是有意義的。 三、中斷上下文 硬件通過(guò)觸發(fā)信號(hào)，向CPU發(fā)送中斷信號(hào)，導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用中斷處理程序，進(jìn)入內(nèi)核空間。這個(gè)過(guò)程中，硬件的一些變量和參數(shù)也要傳遞給內(nèi)核， 內(nèi)核通過(guò)這些參數(shù)進(jìn)行中斷處理。 所以，“中斷上下文”就可以理解為硬件傳遞過(guò)來(lái)的這些參數(shù)和內(nèi)核需要保存的一些環(huán)境，主要是被中斷的進(jìn)程的環(huán)境。 內(nèi)核進(jìn)入中斷上下文是因?yàn)橹袛嘈盘?hào)而導(dǎo)致的中斷處理或軟中斷。而中斷信號(hào)的發(fā)生是隨機(jī)的，中斷處理程序及軟中斷并不能事先預(yù)測(cè)發(fā)生中斷時(shí)當(dāng)前運(yùn)行的是哪個(gè)進(jìn)程，所以在中斷上下文中引用current是可以的，但沒有意義。 事實(shí)上，對(duì)于A進(jìn)程希望等待的中斷信號(hào)，可能在B進(jìn)程執(zhí)行期間發(fā)生。例如，A進(jìn)程啟動(dòng)寫磁盤操作，A進(jìn)程睡眠后B進(jìn)程在運(yùn)行，當(dāng)磁盤寫完后磁盤中斷信號(hào)打斷的是B進(jìn)程，在中斷處理時(shí)會(huì)喚醒A進(jìn)程。 四、進(jìn)程上下文 VS 中斷上下文 內(nèi)核可以處于兩種上下文：進(jìn)程上下文和中斷上下文。 在系統(tǒng)調(diào)用之后，用戶應(yīng)用程序進(jìn)入內(nèi)核空間，此后內(nèi)核空間針對(duì)用戶空間相應(yīng)進(jìn)程的代表就運(yùn)行于進(jìn)程上下文。 異步發(fā)生的中斷會(huì)引發(fā)中斷處理程序被調(diào)用，中斷處理程序就運(yùn)行于中斷上下文。 中斷上下文和進(jìn)程上下文不可能同時(shí)發(fā)生。 運(yùn)行于進(jìn)程上下文的內(nèi)核代碼是可搶占的，但中斷上下文則會(huì)一直運(yùn)行至結(jié)束，不會(huì)被搶占。因此，內(nèi)核會(huì)限制中斷上下文的工作，不允許其執(zhí)行如下操作： a -- 進(jìn)入睡眠狀態(tài)或主動(dòng)放棄CPU 由于中斷上下文不屬于任何進(jìn)程，它與current沒有任何關(guān)系（盡管此時(shí)current指向被中斷的進(jìn)程），所以中斷上下文一旦睡眠或者放棄CPU，將無(wú)法被喚醒。所以也叫原子上下文（atomic context）。 b -- 占用互斥體 為了保護(hù)中斷句柄臨界區(qū)資源，不能使用mutexes。如果獲得不到信號(hào)量，代碼就會(huì)睡眠，會(huì)產(chǎn)生和上面相同的情況，如果必須使用鎖，則使用spinlock。 c -- 執(zhí)行耗時(shí)的任務(wù) 中斷處理應(yīng)該盡可能快，因?yàn)閮?nèi)核要響應(yīng)大量服務(wù)和請(qǐng)求，中斷上下文占用CPU時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)功能。在中斷處理例程中執(zhí)行耗時(shí)任務(wù)時(shí)，應(yīng)該交由中斷處理例程底半部來(lái)處理。 d -- 訪問(wèn)用戶空間虛擬內(nèi)存 因?yàn)橹袛嗌舷挛氖呛吞囟ㄟM(jìn)程無(wú)關(guān)的，它是內(nèi)核代表硬件運(yùn)行在內(nèi)核空間，所以在中斷上下文無(wú)法訪問(wèn)用戶空間的虛擬地址 e -- 中斷處理例程不應(yīng)該設(shè)置成reentrant（可被并行或遞歸調(diào)用的例程） 因?yàn)橹袛喟l(fā)生時(shí)，preempt和irq都被disable，直到中斷返回。所以中斷上下文和進(jìn)程上下文不一樣，中斷處理例程的不同實(shí)例，是不允許在SMP上并發(fā)運(yùn)行的。 f -- 中斷處理例程可以被更高級(jí)別的IRQ中斷 如果想禁止這種中斷，可以將中斷處理例程定義成快速處理例程，相當(dāng)于告訴CPU，該例程運(yùn)行時(shí)，禁止本地CPU上所有中斷請(qǐng)求。這直接導(dǎo)致的結(jié)果是，由于其他中斷被延遲響應(yīng)，系統(tǒng)性能下降。 五、原子上下文 內(nèi)核的一個(gè)基本原則就是：在中斷或者說(shuō)原子上下文中，內(nèi)核不能訪問(wèn)用戶空間，而且內(nèi)核是不能睡眠的。也就是說(shuō)在這種情況下，內(nèi)核是不能調(diào)用有可能引起睡眠的任何函數(shù)。一般來(lái)講原子上下文指的是在中斷或軟中斷中，以及在持有自旋鎖的時(shí)候。內(nèi)核提供 了四個(gè)宏來(lái)判斷是否處于這幾種情況里： 這四個(gè)宏所訪問(wèn)的count都是thread_info->preempt_count。這個(gè)變量其實(shí)是一個(gè)位掩碼。最低8位表示搶占計(jì)數(shù)，通常由spin_lock/spin_unlock修改，或程序員強(qiáng)制修改，同時(shí)表明內(nèi)核容許的最大搶占深度是256。 8－15位是軟中斷計(jì)數(shù)，通常由local_bh_disable/local_bh_enable修改，同時(shí)表明內(nèi)核容許的最大軟中斷深度是256。 16－27位是硬中斷計(jì)數(shù)，通常由enter_irq/exit_irq修改，同時(shí)表明內(nèi)核容許的最大硬中斷深度是4096。 第28位是PREEMPT_ACTIVE標(biāo)志。用代碼表示就是： PREEMPT_MASK: 0x000000ff SOFTIRQ_MASK: 0x0000ff00 HARDIRQ_MASK: 0x0fff0000 凡是上面4個(gè)宏返回1得到地方都是原子上下文，是不容許內(nèi)核訪問(wèn)用戶空間，不容許內(nèi)核睡眠的，不容許調(diào)用任何可能引起睡眠的函數(shù)。而且代表thread_info->preempt_count不是0，這就告訴內(nèi)核，在這里面搶占被禁用。 但 是，對(duì)于in_atomic()來(lái)說(shuō)，在啟用搶占的情況下，它工作的很好，可以告訴內(nèi)核目前是否持有自旋鎖，是否禁用搶占等。但是，在沒有啟用搶占的情況 下，spin_lock根本不修改preempt_count，所以即使內(nèi)核調(diào)用了spin_lock，持有了自旋鎖，in_atomic()仍然會(huì)返回 0，錯(cuò)誤的告訴內(nèi)核目前在非原子上下文中。所以凡是依賴in_atomic()來(lái)判斷是否在原子上下文的代碼，在禁搶占的情況下都是有問(wèn)題的。 信盈達(dá)C語(yǔ)言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、Python等課程免費(fèi)試聽，預(yù)約咨詢宋工Q3/5/2/4/6/5/9/0/8/8 Tel/WX：1/7/3/1/7/9/5/1/9/0/8 |
