实时抢占补丁概观(待续)

A realtime preemption overview（2005-08-10/Paul McKenney）
实时抢占补丁概观

Yang Honggang<[email protected]>
ref: http://lwn.net/Articles/146861/
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////PREEMPT_RT的思想

PREEMPT_RT补丁的核心是最小化(Linux)内核中不可抢占部分的代码，同时又将
为支持抢占性必须要修改的代码量最小化。

临界区、中断处理函数、关中断等代码序列通常是进行抢占改进的。

PREEMPT_RT补丁利用Linux内核的SMP特性来进行可抢占改进，这样就避免了对
重写整个Linux代码。

从某种程度上讲，我们可以简单地认为抢占是在系统中添加了一个新的CPU，
然后利用通常的锁机制来对抢占任务进行同步。

注意不要对上面的叙述死扣，比如在每次抢占时PREEMPT_RT并没有产生
CPU热插拔事件。关键是底层SMP环境必须提供容忍自由抢占的机制。
下面的章节给出来PREEMPT_RT的思想是怎样实施的。

////PREEMPT_RT特性

1. 临界区可抢占
2. 中断处理函数可抢占
3. "关中断"代码序列可抢占
4. 内核中的spinlock和semaphore支持优先级继承
5. 延迟操作
6. 降低延迟的措施

下面分别介绍：

/// 1. 临界区可抢占

在PREEMPT-RT中通常的spinlock（spinlock_t和rwlock_t）、RCU“读部分”的临界区
（rcu_read_lock()和rcu_read_unlock()）都是可抢占的。
Semaphore临界区也是可以抢占的（没有打PREEMPT_RT补丁普通内核也是这样的）。
该可抢占性意味着当获取 spinlock时也可以阻塞，反过来，当关闭中断或者抢占时，
不应该去申请spinlock。这也意味着spinlock_t中使用的spin_lock_irqsave()没有
关闭硬件中断。

    测试#1: 在普通内核中怎样支持semaphore临界区抢占？

那么在中断或者抢占关闭的条件下需要申请锁时该如何去做？可以使用raw_spinlock_t
而不是spinlock_t。在raw_spinlock_t中会调用spin_lock()。
PREEMPT_RT中引入了一系列的宏让spin_lock()表现的像C++中的重载一样。当在raw_spinlock_t
中调用时，它表现为传统的spinlock，当在spinlock_t中调用时，它的临界区又可被抢占。
例如，多种_irq原语（如spin_lock_irqsave()）用在raw_spinlock_t中时，会关闭硬件中断。
但是，用在spinlock_t中时却不会关闭硬件中断。然而，对于raw_spinlock_t（以及相应的rwlock_t
、raw_rwlock_t）的使用不遵循该规则。在调度器、平台相关的代码和RCU等很少的底层部分才
需要这些raw lock，其他地方用不到。

因为临界区可以被抢占，那么不能指望给定的临界区仅在一个固定的CPU上执行。由于抢占的原因，
它可能会迁移到另一个不同的CPU上运行。这样，当在临界区中使用per-CPU变量时，就需要
单独的处理可能发生的抢占带来的问题。因为spinlock_t和rwlock_t不会处理这些事情。
可行的方法有：
 1. 通过get_cpu_var()、preempt_disable()或者关闭硬件中断等显式地关闭抢占。
 2. 使用per-CPU锁保护per-CPU变量。一种方法是使用DEFINE_PER_CPU_LOCKED()，之后会更多
    的介绍。

因为现在spin_lock()可以睡眠，那么需要增加额外的任务状态。看下Ingo Molnar提供的
代码片段：

    spin_lock(&mylock1);
    current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
    spin_lock(&mylock2);                    // [*]
    blah();
    spin_unlock(&mylock2);
    spin_unlock(&mylock1);

由于[*]处的spin_lock可能会睡眠，这样就会破坏current->state的值。这对blah()来说是不应该
发生的。因此，引入了TASK_RUNNING_MUTEX位来告知调度器在调度前对之前的current->state值进行
保护。虽然这么做有些怪怪的，但是这么做确实可以在代码修改量最小的前提下支持临界区抢占。
并且，这么做使得同样的代码可以在PREEMPT_RT, PREEMPT和non-PREEMPT配置下工作。