論述不同的搶占模型如何影響用戶和系統(tǒng)的行為

當(dāng)配置Linux內(nèi)核的時(shí)候，我們可以選擇一些參數(shù)，這些參數(shù)能影響系統(tǒng)的行為。你可以用不同的優(yōu)先級(jí)、調(diào)度類和搶占模型來(lái)工作。正確地選擇這些參數(shù)是非常重要的。

本文將論述不同的搶占模型如何影響用戶和系統(tǒng)的行為。

當(dāng)你使用 make menuconfig配置內(nèi)核的時(shí)候，你能看到這樣的菜單：

為了深入理解這三個(gè)搶占模型的區(qū)別，我們將寫一個(gè)案例：

2個(gè)線程，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)RT（50），一個(gè)低優(yōu)先級(jí)RT（30）

高優(yōu)先級(jí)的線程要睡眠3秒

低優(yōu)先級(jí)的線程用CPU來(lái)做計(jì)算

3秒后高優(yōu)先級(jí)線程喚醒。

如果低優(yōu)先級(jí)的線程陷入系統(tǒng)調(diào)用，高優(yōu)先級(jí)的線程睡眠到期，究竟會(huì)發(fā)生什么？下面我們來(lái)一種模型一種模型地看。

No Forced Preemption

這種情況下，上下文切換發(fā)生在系統(tǒng)調(diào)用返回用戶空間的點(diǎn)。案例如下：

2個(gè)線程，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)RT（50），一個(gè)低優(yōu)先級(jí)RT（30）

高優(yōu)先級(jí)的線程要睡眠3秒

低優(yōu)先級(jí)的線程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算5秒

5秒后低優(yōu)先級(jí)線程從內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用返回

高優(yōu)先級(jí)線程將醒來(lái)（但是比預(yù)期遲了2秒）。

內(nèi)核代碼，簡(jiǎn)單的字符設(shè)備：

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include static dev_t my_dev;static struct cdev *my_cdev; // callback for read system call on the devicestatic ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos){ int len=5; if(*ppos > 0) { return 0; } mdelay(5000); // busy-wait for 5 seconds if (copy_to_user(buf , "hello" , len)) { return -EFAULT; } else { *ppos +=len; return len; }} static struct file_operations my_fops ={ .owner = THIS_MODULE, .read = my_read,}; static int hello_init (void){ my_dev = MKDEV(400,0); register_chrdev_region(my_dev,1,"demo"); my_cdev=cdev_alloc(); if(!my_cdev) { printk (KERN_INFO "cdev alloc error. "); return -1; } my_cdev->ops = &my_fops; my_cdev->owner = THIS_MODULE; if(cdev_add(my_cdev,my_dev,1)) { printk (KERN_INFO "cdev add error. "); return -1; } return 0; } static voidhello_cleanup (void){ cdev_del(my_cdev); unregister_chrdev_region(my_dev, 1);} module_init (hello_init);module_exit (hello_cleanup);MODULE_LICENSE("GPL");

讀里面delay了5秒， 注意mdelay是一個(gè)計(jì)算型的busy-loop。

用戶空間代碼如下：

#include#include#include#include #include #include void *hi_prio(void *p){ printf("thread1 start time=%ld ",time(NULL)); sleep(3); printf("thread1 stop time=%ld ",time(NULL)); return NULL;} void *low_prio(void *p){ char buf[20]; sleep(1); int fd=open("/dev/demo",O_RDWR); // #mknod /dev/demo c 400 0 puts("thread2 start"); read(fd,buf,20); puts("thread2 stop"); return NULL;} int main(){ pthread_t t1,t2,t3; pthread_attr_t attr; struct sched_param param; pthread_attr_init(&attr); pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_RR); param.sched_priority = 50; pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m); pthread_create(&t1,&attr,hi_prio,NULL); param.sched_priority = 30; pthread_attr_setschedparam(&attr, ¶m); pthread_create(&t2,&attr,low_prio,NULL); sleep(10); puts("end test"); return 0;}

實(shí)驗(yàn)步驟：

高優(yōu)先級(jí)線程開始睡眠3秒

低優(yōu)先級(jí)線程睡眠1秒然后做系統(tǒng)調(diào)用

高優(yōu)先級(jí)線程6秒后醒來(lái)（stop和start的時(shí)間差）

# insmod demo.ko # ./appthread1 start time=182thread2 startthread1 stop time=188thread2 stopend test

Preemptible Kernel

這種情況內(nèi)核里面也可以搶占，意味著上述程序里面的高優(yōu)先級(jí)線程3秒后可醒來(lái)。

這種情況下，系統(tǒng)會(huì)有更多的上下文切換，但是實(shí)時(shí)性更加好。對(duì)于要求軟實(shí)時(shí)的嵌入式系統(tǒng)而言，這個(gè)選項(xiàng)是最佳的。但是對(duì)于服務(wù)器而言，通常第一個(gè)選項(xiàng)更好——更少的上下文切換，更多的CPU時(shí)間用作有用功。

運(yùn)行結(jié)果（stop、start時(shí)間差3秒）：

# insmod ./demo.ko#./appthread1 start time=234thread2 startthread1 stop time=237thread2 stopend test

Voluntary Kernel Preemption

這種情況和第一種情況"no forced preemption"類似，但是內(nèi)核開發(fā)者可以在進(jìn)行復(fù)雜操作的時(shí)候，時(shí)不時(shí)檢查一下是否可以reschedule。他們可以調(diào)用might_resched()函數(shù)。

在下面的代碼中，我們添加了一些檢查點(diǎn)（check point）

// callback for read system call on the devicestatic ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos){ int len=5; if(*ppos > 0) { return 0; } mdelay(4000); // busy-wait for 4 seconds might_resched(); delay(3000); // busy wait for 3 seconds if (copy_to_user(buf , "hello" , len)) { return -EFAULT; } else { *ppos +=len; return len; }}

如果我們把might_resched()注釋掉，它會(huì)delay 7秒。

添加cond_resched()調(diào)用將導(dǎo)致系統(tǒng)檢查是否有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被喚醒，這樣高優(yōu)先級(jí)任務(wù)5秒可以醒來(lái)（其中1秒在systemcall之前，另外4秒在kernel）。

運(yùn)行結(jié)果：

#insmod./demo.ko#./appthread1 start time=320thread2 startthread1 stop time=325thread2 stopend test

Full Real Time Preemption

如果我們使能RT補(bǔ)丁，我們會(huì)得到一個(gè)硬實(shí)時(shí)的kernel。這意味著任何代碼可以搶占任何人。比如一個(gè)更加緊急的任務(wù)可以搶占中斷服務(wù)程序ISR。這個(gè)patch進(jìn)行了如下改動(dòng)：

把中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)化為優(yōu)先級(jí)是50的RT線程

把softIRQ轉(zhuǎn)化為優(yōu)先級(jí)是49的RT線程

把所有的spinlock變成mutex

高精度定時(shí)器

其他的細(xì)小改動(dòng)

打補(bǔ)丁后會(huì)看到2個(gè)新增的菜單：

其中“Preemptible Kernel (Basic RT)” 是為了調(diào)試目的的，為了全面使用RT補(bǔ)丁的功能，我們應(yīng)該選擇最后一項(xiàng) – Fully Preemptible Kernel。這樣我們會(huì)有更多的上下文切換，但是可以滿足RT的實(shí)時(shí)要求。