linux设备驱动归纳总结（四）：3.抢占和上下文切换

深藏阁楼爱情的钟 2022-04-23 10:54 156阅读 0赞

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上一节介绍了进程调度的一些基本概念，并简单介绍了在没有抢占的情况下，CFS调度的是如何分配进程的优先级和时间片。但是，内核并不会只是单一地分配时间片让进程运行。

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一、什么是上下文切换

上下文切换，是指从一个可执行的进程切换到另外一个可执行的进程。在linux内核中，上下文的切换有两种方式：第一种是进程主动让出CPU，这样的操作成为“让步”。第二种是由内核调度程序决定进程运行时间，在在运行时间结束（如时间片耗尽）或者需要切换高优先级进程时强制挂起进程，这样的操作叫“抢占”。

抢占是我一直误解的概念，我一直以为抢占是一个进程强制切换到另一进程。最近才知道，执行抢占的是内核，并不是进程。

抢占分为两种：用户抢占和内核抢占。下面将一一介绍。

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二、用户抢占

如果只是靠每个进程主动放弃CPU，这是相当不明智的做法，所以，内核使用need\_resched标志（在每个进程对应的thread\_info结构体内）来表示进程是否需要被调度。当一个进程的时间片耗尽，或者有更高优先级的进程进入可执行队列，当前运行的进程对应的need\_reched标志会被设置。

在内核即将要返回用户空间的时候，如果need\_resched标志被设置，内核会在继续执行原来的进程之前调用调度程序，此时就会发生用户抢占。

要注意，用户抢占是发生在即将返回用户空间前，内核调用调度程序，重新选择一个更加合适的进程来运行（如高优先级），当然也可以是原来的程序。

总的来说，在以下情况下会发生用户抢占：

1、从系统调用返回用户空间。

2、从中断处理程序返回用户空间。

类比一下生活，其实这个很容易理解。如有人占用着厕所解大手时，有人进来需要解小手，或者允许他解大手的时间已经用完了，管厕所的人兄就会做个标记。等解大手的人兄冲完厕所了，管厕所的人兄看到自己做的标记，马上把解大手的人兄赶出来，把厕所让给解小手的人兄。

用户抢占并不是2.6内核的新特征，它只是一种进程调度的策略。内核返回用户空间后，每个进程有独立的4G虚拟空间，这时的进程调度并不会出现内核资源的争夺。

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三、内核抢占

内核抢占是2.6内核的新特征，在之前的内核中，调度程序是不能调度正在运行在内核中的进程，即使时间片已经用完，只有在进程返回用户空间或者阻塞，才能进行进程的调度。

在2.6内核中，内核提供了为高优先级进程抢占正在内核运行的进程的机会。但是，对于多个同时运行的进程，内核空间的资源的共享的。所以，内核在抢占并且调度进程的时候，必须要保证调度是安全的。所谓的安全，就是不会因为新进程的调度导致一些共享资源的错乱，这就是下一节要讨论的内核同步。

内核进程可以调用函数来禁止内核抢占，在禁止这段时间内，抢占是不允许的，这样也是保护内核共享资源的一种方法。

所以，内核抢占发生在以下时候：

1、当终端处理程序将要执行完毕，返回内核空间之前。

2、执行在可以抢占的代码的时候。

3、内核进程让出CPU后，如阻塞。

生活上的例子我就不举了，描述拉到一半的过程实在恶心，有兴趣的自己联想。

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四、总结

今天介绍了抢占的概念，这些都是我的理解，并不能确保一定正确，同时我把书上这么长的介绍压缩成短短的几句话，必然有很多不足的地方，希望大家能够指正。

在很多的书籍中描述的抢占大多数都是多内核抢占，并不是说用户抢占，用户抢占可以理解为一种进程调度的方式。

而由于内核抢占的出现，内核用共享资源的保护显得尤为重要，这是因为所有的进程都进入内核运行，稍不留神就会把另一个进程的资源更改掉，下节就是要介绍如何实现内核资源的保护。

同时需要强调的是，进程调度的介绍并没有涉及中断，一般的，只要中断产生，内核就会马上相应，不管进程在内核还是用户空间，所以这也是内核资源保护的内容之一。

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