中断上下文不能做的事情?

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中断上下文不能做的事情?

指尖的舞曲 2015-08-25 10:31:00 浏览477
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美团面试的时候,突然面试官有问到我为什么中断上下文不能睡眠,当时不了解,后来上网搜搜,发现各种说法:

进程上下文:

  通过系统调用,用户空间的应用程序就会进入内核空间,由内核代表该进程运行于内核空间,这就涉及到上下文的切换,用户空间和内核空间具有不同的地址映射,通用或专用的寄存器组,而用户空间的进程要传递很多变量、参数给内核,内核也要保存用户进程的一些寄存器、变量等,以便系统调用结束后回到用户空间继续执行,所谓的进程上下文,就是一个进程在执行的时候,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容,当内核需要切换到另一个进程时,它需要保存当前进程的所有状态,即保存当前进程的进程上下文,以便再次执行该进程时,能够恢复切换时的状态,继续执行。

中断上下文:

  硬件通过触发信号,导致内核调用中断处理程序,进入内核空间。这个过程中,硬件的一些变量和参数也要传递给内核,内核通过这些参数进行中断处理,中断上下文就可以理解为硬件传递过来的这些参数和内核需要保存的一些环境,主要是被中断的进程的环境。

Linux内核工作在进程上下文或者中断上下文。提供系统调用服务的内核代码代表发起系统调用的应用程序运行在进程上下文;另一方面,中断处理程序,异步运行在中断上下文。中断上下文和特定进程无关

运行在进程上下文的内核代码是可以被抢占的(Linux2.6支持抢占)。但是一个中断上下文,通常都会始终占有CPU(当然中断可以嵌套,但我们一般不这样做),不可以被打断。正因为如此,运行在中断上下文的代码就要受一些限制,不能做下面的事情:

1、睡眠或者放弃CPU。

      这样做的后果是灾难性的,因为内核在进入中断之前会关闭进程调度,一旦睡眠或者放弃CPU,这时内核无法调度别的进程来执行,系统就会死掉

2、尝试获得信号量

      如果获得不到信号量,代码就会睡眠,会产生和上面相同的情况

3、执行耗时的任务

      中断处理应该尽可能快,因为内核要响应大量服务和请求,中断上下文占用CPU时间太长会严重影响系统功能。

4、访问用户空间的虚拟地址

      因为中断上下文是和特定进程无关的,它是内核代表硬件运行在内核空间,所以在终端上下文无法访问用户空间的虚拟地址

 

  信号量/互斥量/互斥锁允许资源申请者进入睡眠,自旋锁不允许调用者睡眠,而是让其循环等待;所以信号量/互斥量/互斥锁不允许使用在中断上下文中,由于在睡眠或者放弃CPU后,内核无法进行进程调度,所以不能调度其他的进程来执行,系统会死掉。

 

这个问题有很多人问过,我看了下Linux得内核代码,原因如下:(当然我不能保证一定对,如果有牛人理解得更好,欢迎指正)

1、 中断处理的时候,不应该发生进程切换,因为在中断context中,唯一能打断当前中断handler的只有更高优先级的中断,它不会被进程打断,如果在 中断context中休眠,则没有办法唤醒它,因为所有的wake_up_xxx都是针对某个进程而言的,而在中断context中,没有进程的概念,没 有一个task_struct(这点对于softirq和tasklet一样),因此真的休眠了,比如调用了会导致block的例程,内核几乎肯定会死。

2、schedule()在切换进程时,保存当前的进程上下文(CPU寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容),以便以后恢复此进程运行。中断发生后,内核会先保存当前被中断的进程上下文(在调用中断处理程序后恢复);

但在中断处理程序里,CPU寄存器的值肯定已经变化了吧(最重要的程序计数器PC、堆栈SP等),如果此时因为睡眠或阻塞操作调用了schedule(),则保存的进程上下文就不是当前的进程context了.所以不可以在中断处理程序中调用schedule()。

3、2.4内核中schedule()函数本身在进来的时候判断是否处于中断上下文:

if(unlikely(in_interrupt()))

BUG();

因此,强行调用schedule()的结果就是内核BUG,但我看2.6.18的内核schedule()的实现却没有这句,改掉了。

4、中断handler会使用被中断的进程内核堆栈,但不会对它有任何影响,因为handler使用完后会完全清除它使用的那部分堆栈,恢复被中断前的原貌。

5、处于中断context时候,内核是不可抢占的。因此,如果休眠,则内核一定挂起。

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原帖地址:http://bbs.chinaunix.net/thread-2115820-1-1.html

 

这里引用个人认为比较OK的解析:

 

呵呵,我最喜欢这种讨论了。先来献丑了,说说我的看法。
先把中断处理流程给出来

 

  1. 1.进入中断处理程序--->2.保存关键上下文---->3.开中断(sti指令)--->4.进入中断处理程序的 handler--->5.关中断(cli指令)---->6.写EOI寄存器(表示中断处理完成)---->7.开中断。
复制代码


硬中断:
对应于上图的1、2、3步骤,在这几个步骤中,所有中断是被屏蔽的,如果在这个时候睡眠了,操作系统不会收到任何中断(包括时钟中断),系统就基本处于瘫痪状态(例如调度器依赖的时钟节拍没有等等……)

软中断:
对应上图的4(当然,准确的说应该是4步骤的后面一点,先把话说保险点,免得思一克又开始较真 )。这个时候不能睡眠的关键是因为上下文。
大家知道操作系统以进程调度为单位,进程的运行在进程的上下文中,以进程描述符作为管理的数据结构。进程可以睡眠的原因是操作系统可以切换不同进程的上下文,进行调度操作,这些操作都以进程描述符为支持。
中断运行在中断上下文,没有一个所谓的中断描述符来描述它,它不是操作系统调度的单位。一旦在中断上下文中睡眠,首先无法切换上下文(因为没有中断描述符,当前上下文的状态得不到保存),其次,没有人来唤醒它,因为它不是操作系统的调度单位。
此外,中断的发生是非常非常频繁的,在一个中断睡眠期间,其它中断发生并睡眠了,那很容易就造成中断栈溢出导致系统崩溃。

如 果上述条件满足了(也就是有中断描述符,并成为调度器的调度单位,栈也不溢出了,理论上是可以做到中断睡眠的),中断是可以睡眠的,但会引起很多问题.例 如,你在时钟中断中睡眠了,那操作系统的时钟就乱了,调度器也了失去依据;例如,你在一个IPI(处理器间中断)中,其它CPU都在死循环等你答复,你确 睡眠了,那其它处理器也不工作了;例如,你在一个DMA中断中睡眠了,上面的进程还在同步的等待I/O的完成,性能就大大降低了……还可以举出很多例子。 所以,中断是一种紧急事务,需要操作系统立即处理,不是不能做到睡眠,是它没有理由睡眠。

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另一篇:

 

http://blog.openrays.org/blog.php?do=showone&tid=455

 

其结论:

 

5. 中断处理时可否睡眠问题

Linux 设计中,中断处理时不能睡眠,这个内核中有很多保护措施,一旦检测到内核会异常。

当 一个进程A因为中断被打断时,中断处理程序会使用 A 的内核栈来保存上下文,因为是“抢”的 A 的CPU,而且用了 A 的内核栈,因此中断应该尽可能快的结束。如果 do_IRQ 时又被时钟中断打断,则继续在 A 的内核栈上保存中断上下文,如果发生调度,则 schedule 进 switch_to,又会在 A 的 task_struct->thread_struct 里保存此时时种中断的上下文。

假如其是在睡眠时被时钟中断打断,并 schedule 的话,假如选中了进程 A,并 switch_to 过去,时钟中断返回后则又是位于原中断睡眠时的状态,抛开其扰乱了与其无关的进程A的运行不说,这里的问题就是:该如何唤醒之呢??

另外,和该中断共享中断号的中断也会受到影响。

 

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再一篇,也分析的很到位:

 

http://blog.csdn.net/maray/article/details/5770889

 

其结论:

Linux是以进程为调度单位的,调度器只看到进程内核栈,而看不到中断栈。在独立中断栈的模式下,如果linux内核在中断路径内发生了调度(从技术上讲,睡眠和调度是一个意思),那么linux将无法找到“回家的路”,未执行完的中断处理代码将再也无法获得执行机会。

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为什么软中断中也不能睡眠

 

    这个问题实际上是一个老生常谈的问题,答案也很简单,Linux在软中断上下文中是不能睡眠的,原因在于Linux的软中断实现上下文有可能是中断上下文,如果在中断上下文中睡眠,那么会导致Linux无法调度,直接的反应是系统Kernel Panic,并且提示dequeue_task出错。所以,在软中断上下文中,我们不能使用信号量等可能导致睡眠的函数,这一点在编写IO回调函数时需要特别注意。在最近的一个项目中,我们在dm-io的callback函数中去持有semaphore访问竞争资源,导致了系统的kernel panic。其原因就在于dm-io的回调函数在scsi soft irq中执行,scsi soft irq是一个软中断,其会在硬中断发生之后被执行,执行上下文为中断上下文。

 

       中断上下文中无法睡眠的原因大家一定很清楚,原因在于中断上下文不是一个进程上下文,其没有一个专门用来描述CPU寄存器等信息的数据结构,所以无法被调度器调度。如果将中断上下文也设计成进程上下文,那么调度器就可以对其进行调度,如果在开中断的情况下,其自然就可以睡眠了。但是,如果这样设计,那么中断处理的效率将会降低。中断(硬中断、软中断)处理都是些耗时不是很长,对实时性要求很高,执行频度较高的应用,所以,如果采用一个专门的后台daemon对其处理,显然并不合适。

 

       Linux对中断进行了有效的管理,一个中断发生之后,都会通过相应的中断向量表获取该中断的处理函数。在Linux操作系统中都会调用do_IRQ这个函数,在这个函数中都会执行__do_IRQ(),__do_IRQ函数调用该中断的具体执行函数。在执行过程中,该函数通过中断号找到具体的中断描述结构irq_desc,该结构对某一具体硬件中断进行了描述。在irq_desc结构中存在一条链表irqaction,这条链表中的某一项成员都是一个中断处理方法。这条链表很有意思,其实现了中断共享,例如传统的PCI总线就是采用共享中断的方法,该链表中的一个节点就对应了一个PCI设备的中断处理方法。在PCI设备驱动加载时,都需要注册本设备的中断处理函数,通常会调用request_irq这个函数,通过这个函数会构造一个具体的irq action,然后挂接到某个具体irq_desc的action链表下,实现中断处理方法的注册。在__do_IRQ函数中会通过handle_IRQ_event()函数遍历所有的action节点,完成中断处理过程。到目前为止,中断处理函数do_IRQ完成的都是上半部的工作,也就是设备注册的中断服务程序。在中断上半部中,通常都是关中断的,基本都是完成很简单的操作,否则将会导致中断的丢失。耗时时间相对较长,对实时性要求不是最高的应用都会被延迟处理,都会在中断下半部中执行。所以,在中断上半部中都会触发软中断事件,然后执行完毕,退出服务。

 

       __do_IRQ完成之后,返回到do_IRQ函数,在该函数中调用了一个非常重要的函数irq_exit(),在该函数中调用invoke_softirq(),invoke_softirq调用do_softirq()函数,执行软中断的操作。此时,程序的执行环境还是中断上下文,但是与中断上半部不同的是,软中断执行过程中是开中断的,能够被硬中断而中断。所以,如果用户的程序在软中断中睡眠,操作系统该如何调度呢?只有kernel panic了。另外,软中断除了上述执行点之外,还有其他的执行点,在内核中还有一个软中断的daemon处理软中断事务,驱动程序也可以自己触发一个软中断事件,并且在软中断的daemon上下文中执行。但是硬中断触发的事件都不会在这个daemon的上下文中执行,除非修改Linux中的do__IRQ代码。

 

       上述对软中断的执行做了简要分析,我对Linux中的硬中断管理机制做了一些代码分析,这一块代码量不是很大,可移植性非常的好~~建议大家阅读,对我上述的分析和理解存在什么不同意见,欢迎大家讨论。

 

转载:http://blog.csdn.net/mihouge/article/details/44198375

http://blog.csdn.net/maray/article/details/5770889

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