【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。
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：
保存中断屏蔽寄存器的值到flags变量中，并返回关闭本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：
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。__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。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。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。__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。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：
preempt_count_add：增加当前进程的抢占计数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：
中断屏蔽的思想中断屏蔽的好处与不足Linux内核提供的中断屏蔽接口中断屏蔽的底层操作的实现方式
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