Linux优化-Preempt RT关键点

      By:Ailson Jack

      Date:2016.04.02

      个人博客:www.only2fire.com

      本文在我博客的地址是：http://www.only2fire.com/archives/844.html，排版更好，便于学习。

      最近看了看preempt-rt的一些材料，觉得网友的总结还是可以，这里就分享出来供大家学习之用，总结的几个preempt-rt关键点如下：

1、preemptible critical sections

      1.1 用支持PI的rt_mutex代替传统的禁用抢占的spin_lock，定义了新的数据类型：spin_lock_t。凡是使用spin_lock_t做参数的spin_lock函数行为有可能引起调度，不会禁用抢占。如果，希望使用传统的spin_lock，则需要使用raw_spin_lock_t类型作为参数。

      1.2 同时，要注意per CPU变量的问题，以前用spin_lock保护的per CPU变量，现在会出现问题，即在现在的spin_lock中进程照样会睡眠，然后调度到别的CPU上。因此，引入了一个新的宏来定义一种可以锁住的per CPU变量。DEFINE_PER_CPU_LOCKED，就是这样的宏，通过get_cpu_var_locked来操作per CPU变量。不过，以前使用get_cpu/put_cpu保护的per CPU变量不受影响。

      1.3 还有一种情况，就是在显示的改变的进程状态之后，调用spin_lock，参考下面的代码序列：

spin_lock(&mylock1);

       current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;

                spin_lock(&mylock2); // [*]

                     blah();

                spin_unlock(&mylock2);

spin_unlock(&mylock1);

      在锁住mylock2之前，进程被设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE状态，但是现在spin_lock的行为与mutex一样，所以当获得mylock2的时候，进程有可能被设置为TASK_RUNNING状态，则与前面的逻辑相矛盾。所以，引入了TASK_MUTEX_RUNNING状态。这样，代码会选择将进程状态设置为以前的状态还是TASK_RUNNING。

2、preemptible interrupt handlers

      在preempt-rt环境下，中断处理程序是运行在进程上下文中的，这与传统情况大相径庭，所以处理上有很多需要注意的地方。大概的过程是，redirect_hardirq唤醒某个中断处理程序（实际上是一个进程），然后交由do_irqd在进程上下文中执行。

      如果，希望某个中断处理程序继续运行在中断上下文中，需要将该中断处理程序设置为SA_NODELAY。在这种情况下，任何于进程上下文的互斥都要使用raw_spin_lock_t来处理。

3、preemptible “interrupt disable” code sequence

      在preempt-rt环境下，spin_lock_irqsave并不会禁用中断和抢占，而且local_irq_save也不会禁用中断，只会禁用抢占。必须与SA_NODELAY类型中断打交道的代码不能使用local_irq_save，因为它不会真正禁用中断，此时，必须使用raw_local_irq_save。

4、priority inheritance for in-kernel spinlocks and semaphore

      对于preempt-rt中的spinlock来说，实现都是支持PI的rt_mutex，即能够解决优先级翻转问题。优先级翻转是实时系统中比较严重的问题，具体成因是：

进程A，B，C，其中优先级A>B>C。C持有锁S，A需要S，则A睡眠在S上，但是B抢占C，则A只有等到B运行结束，C释放S后才能继续运行。这样就造成了优先级翻转问题。

      解决办法是，在A尝试获得S的时候，判断持有S的进程与A的优先级，如果A的优先级更高，则提升C的优先级与A一样高。如果，C还依赖于某一个锁，这样循环下去，则需要循环提升持有锁的进程的优先级。当C释放S时，恢复C的优先级。

      一旦，C释放S，则A尝试获得S，这时S在pending状态，这时，更高优先级的进程可以尝试抢占A，否则A将彻底获得S。这种优化通过在spin_lock_t中加入task_struct指针实现，指针的低两位作为锁的状态位。在pending向held状态转化过程中，是更高优先级进程“steal”锁的时机。在这个例子里面，A就是S的top waiter。

      针对于读写锁，由于依赖情况比较负责，preempt-rt做了简化，即只容许一个进程在一个时间持有一个读锁。

      但是，这里面也有例外，某些用于同步的semaphore，不能执行PI，因为，不知道哪个进程持有这个semaphore，所以无法比较优先级。这种情况需要使用compat_semaphore或者compat_rw_semaphore代替。

5、deferred operations

      由于spin_lock可以睡眠，因此在禁用抢占期间代用spin_lock是非法的。在这种情况下preempt-rt提供了一些解决办法：

      put_task_struct_delayed排队put_task_struct稍后执行；

      mmdrop_delayed排队mm_drop稍后执行；

      TIF_NEED_RESCHED_DELAYED执行重调度，在进程准备返回到用户空间时，或者直到下一个preempt_check_resched_delayed。

6、latency-reduction measures

      preempt-rt中还有一些改变的主要目的是减少调度或中断延迟。

      第一个例子是x86的MMX/SSE硬件。这些硬件在内核中处理时禁用抢占，需要等待前面的指令完成，但是一些指令执行时间很长，preempt-rt做了改变。

      第二个例子是使用slab分配器分配per CPU变量。

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