【深入理解Linux锁机制】二、中断屏蔽

【深入理解Linux内核锁】二、中断屏蔽 #

上一篇了解了内核锁的由来，本篇文章主要来讲一下中断屏蔽的底层实现以及原理。

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1、中断屏蔽思想 #

中断屏蔽，正如其名，屏蔽掉CPU的中断响应功能，解决并发引起的竞态问题。

在进入临界区前屏蔽中断，这么做有什么好处，以及有什么弊端？

好处在于：

  • 解决了进程与中断之间的并发：保证在执行临界区代码时，不被中断所打断。
  • 解决了进程与进程之间调度的并发：系统的进程调度与中断息息相关，同时也限制了系统进程的并发，解决了系统进程并发带来的竞态问题。

弊端在于：

  • 各类中断类型较多，一棒子打死影响大：Linux内核中，除了系统进程调度依赖中断，还有一些异步I/O等众多操作都依赖中断，因此长时间屏蔽中断是很危险的，会对系统造成严重影响，因此也要求临界区代码要简短。
  • 解决的不够完善：关闭中断能够解决进程调度、中断引发的竞态，但是这些都是单CPU内部的，对于SMP对称多处理器，仍然不可避免的会收到其他CPU的中断。因此，并不能解决SMP多CPU引发的竞态。

因此，单独使用中断屏蔽通常不是一种值得推荐的避免竞态的方法

 

2、Linux内核中断屏蔽的实现 #

2.1 Linux内核提供的API接口 #

关于中断屏蔽，Linux内核所提供的接口如下：

local_irq_enable()				//	使能本CPU的中断
local_irq_disable()				//	禁止本CPU的中断
local_irq_save(flags)			//	禁止本CPU的中断，并保存CPU中断位的信息
local_irq_restore(flags)		//	使能本CPU的中断，并恢复CPU中断位的信息
local_bh_disable(void)			//	禁止本CPU底半部中断
local_bh_enable(void)    		//	使能本CPU底半部中断

文件位置：kernel/include/linux/irqflags.h

  • local_irq_enable与local_irq_disable：直接打开/关闭本CPU内的中断，包括了顶半部和底半部中断的打开和关闭。
  • local_irq_save与local_irq_restore：直接打开/关闭本CPU中断，并且保存中断屏蔽前的状态，便于后续恢复
  • local_bh_enable与local_bh_disable：直接打开/关闭本CPU内的底半部中断

 

2.2 API接口实现分析 #

因为中断屏蔽与底层芯片架构有关，不同架构处理方式不同，我们以ARM为例

2.2.1 local_irq_enable #

#define local_irq_enable()	do { raw_local_irq_enable(); } while (0)

#define raw_local_irq_enable()		arch_local_irq_enable()

#define arch_local_irq_enable arch_local_irq_enable
static inline void arch_local_irq_enable(void)
{
    asm volatile(
        "	cpsie i			@ arch_local_irq_enable"
        :
        :
        : "memory", "cc");
}

函数介绍：local_irq_enable函数用于将CPSR寄存器中的中断使能位设为1，从而使得CPU能够响应中断。

文件位置：kernel/arch/arm/include/asm/irqflags.h

相关实现：

asm：声明一个内联汇编表达式

cpsie i：全称Change Processor State, Interrupts Enabled，主要用来设置CPSR寄存器的I位，来允许本CPU响应中断。

memory：向汇编说明，此处内存发生了更改，类似于内存屏障的作用

cc：表示可能会修改条件码的标志

汇编语言的格式，大家可以自行简单了解

 

2.2.2 local_irq_disable #

#define local_irq_disable() \
    do { raw_local_irq_disable(); trace_hardirqs_off(); } while (0)

#define raw_local_irq_disable()		arch_local_irq_disable()

#define arch_local_irq_disable arch_local_irq_disable
static inline void arch_local_irq_disable(void)
{
    asm volatile(
        "	cpsid i			@ arch_local_irq_disable"
        :
        :
        : "memory", "cc");
}

函数介绍：local_irq_disable函数用于将CPSR寄存器中的中断使能位设为0，从而禁止CPU响应中断。

文件位置：kernel/arch/arm/include/asm/irqflags.h

相关实现：同上

  • cpsid：全称Change Processor State, Interrupts Disabled，用于清除CPSR寄存器的中断标志，以禁止中断！

 

这里顺便提及一下，CPSR寄存器为Current Program Status Register，用于存储当前程序的状态信息，包括中断使能状态、处理器模式、条件标志等。

大多数的ARM处理器，都采用CPSR寄存器来管理装填信息，所以ARM处理器可以直接进行操作。

 

2.2.3 local_irq_save #

#define IRQMASK_REG_NAME_R "primask"

#define local_irq_save(flags)				\
    do {						\
        raw_local_irq_save(flags);		\
        trace_hardirqs_off();			\
    } while (0)


#define raw_local_irq_save(flags)			\
    do {						\
        typecheck(unsigned long, flags);	\
        flags = arch_local_irq_save();		\
    } while (0)

static inline unsigned long arch_local_irq_save(void)
{
    unsigned long flags;

    asm volatile(
        "	mrs	%0, " IRQMASK_REG_NAME_R "	@ arch_local_irq_save\n"
        "	cpsid	i"
        : "=r" (flags) : : "memory", "cc");
    return flags;
}

函数介绍：arch_local_irq_save函数，用于保存当前中断状态并禁用中断。

文件位置：kernel/arch/arm/include/asm/irqflags.h

相关实现：

mrs %0 IRQMASK_REG_NAME_R：这行代码使用mrs指令将中断屏蔽寄存器的值读取到通用寄存器%0中。IRQMASK_REG_NAME_R是一个占位符，表示要读取的中断屏蔽寄存器的名称，实际的中断屏蔽寄存器为primask。通过这行代码，中断屏蔽寄存器的值被保存到了%0寄存器中。

: "=r" (flags) : : "memory", "cc": 这是一个约束部分，用于指定寄存器和内存的使用约束。"=r" (flags)表示将%0寄存器的值保存到flags变量中。"memory"和"cc"表示这段代码可能会修改内存和条件码寄存器。

总的来说，这段代码主要实现了：

  1. 保存中断屏蔽寄存器的值到flags变量中，并返回
  2. 关闭本CPU的中断

 

2.2.4 local_irq_restore #

#define IRQMASK_REG_NAME_W "primask"

#define local_irq_restore(flags)			\
    do {						\
        if (raw_irqs_disabled_flags(flags)) {	\
            raw_local_irq_restore(flags);	\
            trace_hardirqs_off();		\
        } else {				\
            trace_hardirqs_on();		\
            raw_local_irq_restore(flags);	\
        }					\
    } while (0)

#define raw_local_irq_restore(flags)			\
    do {						\
        typecheck(unsigned long, flags);	\
        arch_local_irq_restore(flags);		\
    } while (0)

/*
 * restore saved IRQ & FIQ state
 */
static inline void arch_local_irq_restore(unsigned long flags)
{
    asm volatile(
        "	msr	" IRQMASK_REG_NAME_W ", %0	@ local_irq_restore"
        :
        : "r" (flags)
        : "memory", "cc");
}

函数介绍：arch_local_irq_restore函数，用于恢复当前中断状态并打开中断。

相关实现：同上

 

2.2.5 local_bh_enable #

static inline void local_bh_enable(void)
{
    __local_bh_enable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

void __local_bh_enable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
    WARN_ON_ONCE(in_irq());
    lockdep_assert_irqs_enabled();
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
    local_irq_disable();
#endif
    /*
     * Are softirqs going to be turned on now:
     */
    if (softirq_count() == SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET)
        trace_softirqs_on(ip);
    /*
     * Keep preemption disabled until we are done with
     * softirq processing:
     */
    preempt_count_sub(cnt - 1);

    if (unlikely(!in_interrupt() && local_softirq_pending())) {
        /*
         * Run softirq if any pending. And do it in its own stack
         * as we may be calling this deep in a task call stack already.
         */
        do_softirq();
    }

    preempt_count_dec();
#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS
    local_irq_enable();
#endif
    preempt_check_resched();
}
EXPORT_SYMBOL(__local_bh_enable_ip);

asmlinkage __visible void do_softirq(void)
{
    __u32 pending;
    unsigned long flags;

    if (in_interrupt())
        return;

    local_irq_save(flags);

    pending = local_softirq_pending();

    if (pending && !ksoftirqd_running(pending))
        do_softirq_own_stack();

    local_irq_restore(flags);
}

函数介绍：local_bh_enable函数，启用本地的底半部bottom half处理，当中断来临时，底半部处理可以被执行。

文件位置：kernel/include/linux/bottom_half.h

相关实现：

  1. 调用__local_bh_enable_ip传入两个参数，这两个参数的作用是：
    • _THIS_IP_：是一个宏定义，用于获取当前的指令地址，也就是调用 local_bh_enable 函数的地方。
    • SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET：是一个常量，用于指定软中断禁用的偏移量。
  2. __local_bh_enable_ip其主要作用是：处理完软中断softirq后重新启用本地底半部bottom half处理，并检查是否需要进行进程调度。
  3. WARN_ON_ONCE(in_irq())：判断是否处于硬件中断上下文中，如果是，则打印警告信息
  4. lockdep_assert_irqs_enabled()：这是一个锁依赖性检查宏，用于确保在调用此函数时中断是被启用的。
  5. if (softirq_count() == SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET) lockdep_softirqs_on(ip)：如果当前软中断计数等于SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET，则启用软中断。
  6. __preempt_count_sub(cnt - 1)：减少抢占计数，这是为了防止在处理软中断时发生抢占。
  7. do_softirq：这里表示如果有待处理的软中断，那么就调用do_softirq()函数来处理这些软中断。
    • in_interrupt()：判断是否处于硬中断中，如果是，则直接返回
    • local_irq_save：它保存并关闭本地中断，以防止在处理软中断时被其他硬中断打断。
    • local_softirq_pending：它获取当前待处理的软中断。
    • 如果存在待处理的软中断，并且软中断处理线程（ksoftirqd）没有在运行，那么就在当前的栈上处理软中断。
    • local_irq_restore：恢复本地中断。

 

这里有一个疑问，大家不妨思考一下：

中断上半部和下半部的机制，就是为了让那些紧急处理的事情放在下半部，不那么紧急或者时间较长的任务放到下半部处理，来保证系统的实时性。

那么在这里，使能中断底半部之后，仍然执行了local_irq_save和local_irq_restore，来关闭本地硬中断，这么做是为了什么？

我的猜想：local_bh_disable和local_bh_enable是成对出现的，当我们关闭掉了底半部中断时，也有可能硬中断引发了多个软中断触发，在此打开的时候，此时已经就已经挂起了其他的软中断处理程序；

如果不关闭硬中断，这时候就有可能发生嵌套，导致堆栈溢出。

大家不妨可以一起讨论下。

 

2.2.6 local_bh_disable #

static inline void local_bh_disable(void)
{
    __local_bh_disable_ip(_THIS_IP_, SOFTIRQ_DISABLE_OFFSET);
}

static __always_inline void __local_bh_disable_ip(unsigned long ip, unsigned int cnt)
{
    preempt_count_add(cnt);
    barrier();
}

函数介绍：local_bh_disable函数，增加当前进程的抢占计数，从而阻止内核抢占当前进程。

文件位置：kernel/include/linux/bottom_half.h

相关实现：

  1. preempt_count_add：增加当前进程的抢占计数
  2. barrier：执行内存屏障，以确保抢占计数的增加在所有其他内存操作之前完成。

 

2.2.7 抢占计数机制 #

在local_bh_eable和local_bh_disable中，有一些抢占计数的操作，如：preempt_count_add、preempt_count_dec、preempt_count_dec等，这些作用是什么呢？

抢占计数（preempt_count）在Linux内核中起着非常重要的作用。它主要用于防止内核抢占。

在Linux内核中，当一个进程正在执行内核代码时，如果发生了中断或者有更高优先级的进程需要运行，那么当前进程可能会被抢占，即暂停当前进程，转而去执行中断处理程序或者更高优先级的进程。这种机制被称为内核抢占。

然而，有些情况下，我们不希望当前进程被抢占。例如，当一个进程正在修改一些全局数据结构时，如果这个进程被抢占，那么其他进程可能会看到这些数据结构处于不一致的状态。为了防止这种情况发生，我们可以通过增加抢占计数来禁止内核抢占。

当抢占计数大于0时，内核抢占被禁止。

当抢占计数等于0时，内核抢占被允许。

因此，我们可以通过调用preempt_count_add函数来增加抢占计数，从而禁止内核抢占，通过调用preempt_count_dec和preempt_count_dec函数来减少抢占计数，从而允许内核抢占。

总的来说，抢占计数的作用就是用于控制内核抢占的开启和关闭，以保证内核代码的正确执行。

 

关于中断底半部机制，内容较为复杂，放在后面单独拆解！

 

3、总结 #

该篇文章，主要了解以下几点：

  1. 中断屏蔽的思想
  2. 中断屏蔽的好处与不足
  3. Linux内核提供的中断屏蔽接口
  4. 中断屏蔽的底层操作的实现方式

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