中断上下文中的preempt count

参考博客:

 Linux上下文切换[转]_thonmin的博客-CSDN博客_linux 上下文切换

中断子系统

1. 背景

中讲到:

 softirq在同一个CPU上是串行的，这点体现在代码的哪里呢?

./kernel/softirq.c

wowo科技的文章中讲了两种场景，其中中断嵌套由于Linux不支持，所以暂时不讨论，只讨论下面的一个场景: softirq中的中断

假设一个中断下半部softirq(随便什么类型的softirq)正在执行，在调用softirq的hander之前，也就是__do_softirq()中一定会调用__local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET)然后打开CPU中断local_irq_enable()，最后执行softirq handler

就在执行softirq handler的时候在同一个CPU上发生了外部中断，此时CPU能够响应这个外部中断，并同样走到了irq_exit()的Line408处，由于之前调用了 __local_bh_disable_ip，所以此时if条件为假，invoke_softirq()得不到调用导致新的softirq无法执行

第二个中断结束，退出到被中断的softirq处继续执行，依靠__do_softirq()中的restart标签机制，将没有处理的softirq处理完毕

似乎一切很合理，但是这里有一个隐藏很深的问题: in_interrupt()的实现与preempt count有关系，但是程序在我上述描述的场景中用到的所有preempt count都是在中断上下文，而我们又知道Linux的中断上下文不存在struct task_struct结构，那么这里的preempt count是哪里的?

2. 中断栈

相关资料请见以下博客：

linux kernel中的栈的介绍_代码改变世界ctw的博客-CSDN博客

中断子系统

• ARM32的IRQ STACK

./arch/arm/kernel/setup.c

 arm32的中断栈很小，只有12byte，在系统初始化的时候，cpu_init()函数会进行中断模式stack的设定，在此不详细介绍

为什么arm32的中断栈如此小呢?这与arm32架构下中断处理的模式有关系，参考如下描述：

简单说来就是在arm32架构下，真正的中断处理都在svc mode，发生中断时，先进入irq mode，再进入svc mode完成大部分工作，而进入svc mode，也伴随着栈切换，也就是说，arm32的irq handler是运行在被中断进程的内核栈上面的

• ARM64的IRQ STACK

./arch/arm64/kernel/irq.c

arm64架构专门设计了中断栈用于irq handler，可以看到代码中中断栈是基于per-cpu的，中断栈可能是静态分配的，也可能是vmalloc动态分配的，大小为THREAD_SIZE

小总结:

linux kernel arm32中定义的irq栈，其实就在一个static struct stack结构体变量中，大小为12bytes. irq_hander使用svc栈
linux kernel arm64中定义的irq栈，在内存"首地址"处，大小16k. irq_hander使用irq栈

为什么arm64要引入特别的IRQ STACK?

具体可以看看下面这个patch的描述:arm64: Introduce IRQ stack [LWN.net] 

 

3. 中断栈的切换

根据上一小节描述，arm32架构下，中断最开始会进入IRQ mode，但是它稍纵即逝，最终进入SVC mode处理具体的中断，所以irq handler是运行在被中断的进程的内核栈上面的。具体栈切换请参考中断子系统的四小节

在arm64架构下，irq handler运行在cpu独立的IRQ stack中，可以参考中断向量表arch/arm64/kernel/entry.S，精简后的大概流程如下，可以看到实际上中断上半部和中断底半步都是在IRQ STACK上完成的

4. 猜想-中断上下文中的preempt count究竟是什么

参考:Linux内核进程栈的两种架构_Andy Pines的博客-CSDN博客

在中断上下文中一定会有这样的代码片段:

最终都是去操作preempt_count这个成员来通过软件的方式去标识运行上下文

• ARM32架构，thread_info在内核栈中，获取preempt_count的途径如下:

通过sp找到栈底，自然也就找到了thread_info，进而找到preempt_count

在了解了arm32中断栈切换的原理后，由于irq handler是运行在SVC模式的内核栈上的，所以sp就是被中断的内核栈顶指针，preempt_count属于被中断进程

•  ARM64架构，thread_info不在内核栈中，thread_info在struct task里面，获取preempt_count的途径如下:

arm64架构下，进程描述符是用寄存器来承载的，在了解了arm64中断栈切换原理后，我们并没有发现sp_el0有什么变化，所以sp_el0仍然是被中断进程的进程描述符，所以preempt_count属于被中断进程

 5. 思考

综上所述，在中断上下文中操作到的preempt_count实际上是属于被中断进程的(仍然是推测+猜想，无实证)，这也就能解释本文最开始提到的问题:如何保证softirq在同一个CPU上的串行执行?这下就很简单了，不管是因为中断嵌套也好，还是softirq被中断也好，前者用于标识运行上下文操作的preempt_count与后者用于检测的preempt_count是同一个变量，也都是被中断进程的那个preempt_count

同样，这里又会引申出另一个深层次的问题: 中断上下文为什么不能睡眠？

通过查找各种资料，大概归于两类原因:

a. Linux中断的设计要求

从中断设计目标看，它应该尽快完成处理返回现场，甚至为此还特意分出了下半部，调用阻塞函数，不可避免得增加了时延，显然违背初衷

b.与进程调度相关

从Linux的设计规则上看，中断上下文不是调度实体，调用阻塞函数使中断上下文参与调度，打破了设计规则，而且有很大程度上可能无法返回原来的现场，如果可以靠的也是运气

关于第二点，<深入Linux设备驱动程序内核机制>有如下描述:

我们再看看引起睡眠的schedule函数，先取得当前cpu上的进程运行队列，再从该队列中取出当前运行的进程，而在中断上下文中的rq->curr就是被中断的进程，进而让被中断的进程参与调度，在arm32架构下，被中断的进程可能在以后的调度中又被中断，导致内核栈被改写，被调度出去的中断下下文就再也回不去了；在arm64架构下，调度器根本就看不到中断栈，所以一旦中断中出现了调度，就有可能再也回不去了。