【Linux開發】linux裝置驅動歸納總結（四）：3.搶占和上下文切換

linux裝置驅動歸納總結（四）：3.搶占和上下文切換

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上一節介紹了程序排程的一些基本概念，并簡單介紹了在沒有搶占的情況下，CFS排程的是如何配置設定程序的優先級和時間片。但是，核心并不會隻是單一地配置設定時間片讓程序運作。

一、什麼是上下文切換

上下文切換，是指從一個可執行的程序切換到另外一個可執行的程序。在linux核心中，上下文的切換有兩種方式：第一種是程序主動讓出CPU，這樣的操作成為“讓步”。第二種是由核心排程程式決定程序運作時間，在在運作時間結束（如時間片耗盡）或者需要切換高優先級程序時強制挂起程序，這樣的操作叫“搶占”。

搶占是我一直誤解的概念，我一直以為搶占是一個程序強制切換到另一程序。最近才知道，執行搶占的是核心，并不是程序。

搶占分為兩種：使用者搶占和核心搶占。下面将一一介紹。

二、使用者搶占

如果隻是靠每個程序主動放棄CPU，這是相當不明智的做法，是以，核心使用need_resched标志（在每個程序對應的thread_info結構體内）來表示程序是否需要被排程。當一個程序的時間片耗盡，或者有更高優先級的程序進入可執行隊列，目前運作的程序對應的need_reched标志會被設定。

在核心即将要傳回使用者空間的時候，如果need_resched标志被設定，核心會在繼續執行原來的程序之前調用排程程式，此時就會發生使用者搶占。

要注意，使用者搶占是發生在即将傳回使用者空間前，核心調用排程程式，重新選擇一個更加合适的程序來運作（如高優先級），當然也可以是原來的程式。

總的來說，在以下情況下會發生使用者搶占：

1、從系統調用傳回使用者空間。

2、從中斷處理程式傳回使用者空間。

類比一下生活，其實這個很容易了解。如有人占用着廁所解大手時，有人進來需要解小手，或者允許他解大手的時間已經用完了，管廁所的人兄就會做個标記。等解大手的人兄沖完廁所了，管廁所的人兄看到自己做的标記，馬上把解大手的人兄趕出來，把廁所讓給解小手的人兄。

使用者搶占并不是2.6核心的新特征，它隻是一種程序排程的政策。核心傳回使用者空間後，每個程序有獨立的4G虛拟空間，這時的程序排程并不會出現核心資源的争奪。

三、核心搶占

核心搶占是2.6核心的新特征，在之前的核心中，排程程式是不能排程正在運作在核心中的程序，即使時間片已經用完，隻有在程序傳回使用者空間或者阻塞，才能進行程序的排程。

在2.6核心中，核心提供了為高優先級程序搶占正在核心運作的程序的機會。但是，對于多個同時運作的程序，核心空間的資源的共享的。是以，核心在搶占并且排程程序的時候，必須要保證排程是安全的。所謂的安全，就是不會因為新程序的排程導緻一些共享資源的錯亂，這就是下一節要讨論的核心同步。

核心程序可以調用函數來禁止核心搶占，在禁止這段時間内，搶占是不允許的，這樣也是保護核心共享資源的一種方法。

是以，核心搶占發生在以下時候：

1、當終端處理程式将要執行完畢，傳回核心空間之前。

2、執行在可以搶占的代碼的時候。

3、核心程序讓出CPU後，如阻塞。

生活上的例子我就不舉了，描述拉到一半的過程實在惡心，有興趣的自己聯想。

四、總結

今天介紹了搶占的概念，這些都是我的了解，并不能確定一定正确，同時我把書上這麼長的介紹壓縮成短短的幾句話，必然有很多不足的地方，希望大家能夠指正。

在很多的書籍中描述的搶占大多數都是多核心搶占，并不是說使用者搶占，使用者搶占可以了解為一種程序排程的方式。

而由于核心搶占的出現，核心用共享資源的保護顯得尤為重要，這是因為所有的程序都進入核心運作，稍不留神就會把另一個程序的資源更改掉，下節就是要介紹如何實作核心資源的保護。

同時需要強調的是，程序排程的介紹并沒有涉及中斷，一般的，隻要中斷産生，核心就會馬上相應，不管程序在核心還是使用者空間，是以這也是核心資源保護的内容之一。