Linux Kernel 7

任务抢占机制（Preempting Tasks）

在操作系统调度的宏大叙事中，线程间的切换不仅是调度器有序奏响的乐章，更是系统响应性的核心命脉。此前我们主要探讨的是 线程之间基于自愿（voluntary）发生的上下文切换 —— 即当前线程主动交出 CPU 使用权，甘为整体系统调度的节奏所用。然而，现代操作系统的高实时性要求远不止于“谦让”，于是我们走入了 抢占式调度（preemptive scheduling） 的深水区。

非抢占式内核（Non-preemptive Kernel）

在这种模式下，内核的调度逻辑在每一个时钟周期（tick）发生中断时，会审视当前进程的运行时长是否已经耗尽。如果是，则在中断处理函数中设置一个标志位。值得注意的是，这个设置动作是发生在 中断上下文（interrupt context） 中，也就是说，它并不打断当前的执行流程，而只是为即将到来的调度做下铺垫。

随后，在内核准备返回用户空间前，会检查这个标志，并在必要时调用调度器 schedule() 来挑选新的任务。

这一模型的关键特征是：只要当前进程仍然运行在内核态（比如正在执行系统调用），它就不会被抢占。这避免了并发操作中的数据竞争问题，使得某些临界操作无需显式加锁即可完成。

🔍 概念拓展：非抢占内核的优势与局限

• 优势：减少加锁复杂度，提高关键区的执行效率；
• 局限：系统响应性差，若某一进程在内核态执行时间过长，可能造成其它任务长时间无法获得 CPU。

抢占式内核（Preemptive Kernel）

抢占式内核则是在效率与响应性之间取得更动态的平衡。在这种机制中，即便当前任务正在执行系统调用，只要系统判定其时间片已经用尽，也可能被强行打断，从而切换至优先级更高的任务。这种能力是现代多任务操作系统“灵活调度”的基石。

然而，随之而来的代价是同步与保护的复杂性提升。为此，Linux 提供了 抢占控制原语：

• preempt_disable()：暂时关闭抢占；
• preempt_enable()：重新启用抢占。

此外，在多核处理器架构（SMP）下，由于多个核心可能并发执行临界资源访问，Linux 自动在使用 自旋锁（spinlock） 时禁用抢占，以避免内核态任务在未完成锁定操作时被打断，导致状态不一致。

当一个任务的时间片用尽，系统同样设置标志位，但此时的触发点是在执行 spin_unlock() 或退出临界区时。此刻会检查该标志，若发现当前任务应被抢占，便调用调度器进行任务切换。

🔍 概念拓展：为什么抢占式调度更现代？

• 它能在毫秒级别内响应系统事件；
• 适用于高并发服务器和实时系统；
• 要求对内核临界区有精确的保护机制。

进程上下文（Process Context）

在 Linux 的内核世界中，“上下文”是一种运行的视角。当内核因某一系统调用而代表用户进程运行时，我们称其为处于“进程上下文”。

• 在此上下文中，系统可以安全地访问当前进程的资源（通过 current 指针），并可以阻塞自身（比如等待某个事件）。
• 同时，也能够访问用户空间的数据——这意味着内核具备将用户态请求与内核态操作衔接的能力。
• 注意：如果是内核线程上下文（如系统自启动的守护线程），则不会涉及用户空间访问。

🔍 概念拓展：进程上下文与中断上下文的根本区别

• 进程上下文可以睡眠（sleep），适合做阻塞式等待；
• 中断上下文则禁止睡眠，要求快速完成，不允许调度切换。

内核线程（Kernel Threads）

内核线程是操作系统内部的一种“影子使者” —— 它们不归属于任何用户空间任务，却在幕后承担着繁重的使命。

• 内核线程具备完整的进程上下文，但不拥有用户空间资源，例如地址空间或文件描述符；
• 它们常用于驱动程序、后台守护任务，或者调度管理工作；
• 它们的存在，是内核体系结构灵活性与模块化的体现。

🧠 举例：如 ksoftirqd、kworker、kthreadd 等，都是在不同内核子系统中运行的内核线程，它们为系统提供基础服务，默默无闻，却至关重要。

什么是中断（Interrupt）？

中断是一种 打破程序正常执行流程 的事件，它可以由外部硬件设备触发，也可以由 CPU 自身生成。当中断发生时，当前程序的执行会被暂停，CPU 转而执行一段称为“中断处理程序（Interrupt Handler）”的特定代码。中断处理完成后，系统会恢复被打断的程序流程，继续执行原本的任务。

⏰ 中断

✅ 按触发源：

• 同步中断（Synchronous）：

  • 在指令执行过程中由 CPU 检测异常而触发，例如除以零、页错误或系统调用。
  • 在 Linux 中通常称为 异常（Exception）。

• 异步中断（Asynchronous）：

  • 来自外部设备，例如网卡接收到数据包时会触发中断。
  • 这类中断是真正意义上的“中断”，常用于外设事件通知。

✅ 按可屏蔽性：

• 可屏蔽中断（Maskable）：

  • 可通过设置中断屏蔽位暂时禁用，常见于大部分外设中断。
  • 在内核关键区可以“延迟”处理，防止竞态条件。

• 不可屏蔽中断（Non-Maskable Interrupt, NMI）：

  • 不能被屏蔽，主要用于处理关键事件（如硬件故障检测）。
  • 通过 CPU 的 NMI 引脚触发，优先级极高，必须立即响应。

🔍 解释：为什么分同步/异步、可屏蔽/不可屏蔽？
这四类交叉组合让中断机制具备高度的灵活性与层级控制。例如，页错误是同步的但不可延迟；网卡中断是异步的但可屏蔽；而硬件故障则属于异步且不可屏蔽。

⚠️ 异常（Exceptions）

异常是中断的一个子类，通常是指在 CPU 执行指令时，内部检测到某种异常状态而触发 的事件。异常有两个来源：

1. 由处理器自动检测产生（Processor-detected）

• Fault（故障）：

  • 在异常发生的指令执行之前被报告，例如缺页异常（Page Fault）。
  • EIP 保存的是出错指令的地址，修复后可以重新执行。

• Trap（陷阱）：

  • 在指令执行完成后报告，通常用于调试。
  • EIP 保存的是下一条指令的地址，代表已执行完触发指令。

• Abort（终止）：

  • 严重错误，无法恢复，例如硬件级别一致性错误。
  • 通常导致程序或内核崩溃。

2. 由程序主动触发（Programmed）

• 使用 int n 指令，如 int 0x80 用于触发系统调用。

🔍 概念延伸：EIP 是什么？
EIP（Extended Instruction Pointer）是指令指针寄存器，保存当前或将要执行的指令地址。在处理异常时，EIP 的保存位置决定了异常处理返回后的执行位置，是实现“可恢复异常处理”机制的关键。

🌐 异步中断的典型应用 —— 外设通知

当 I/O 设备完成某项任务，例如接收到网络数据包、磁盘读写完成，它们会通过 外部中断机制 通知 CPU。CPU 在接收到中断信号后，立即跳转至相应的中断处理程序处理该事件。

这种方式极大提升了系统效率，因为 CPU 不需要轮询设备状态，而是以事件驱动方式响应硬件请求。

📌 Watchdog（看门狗）

• 定义：用于检测系统是否卡死或未响应，若长时间未复位看门狗，系统将被强制复位。
• 类型：通常通过外设触发 中断（Interrupt），根据系统关键性可能为 Maskable 或 Nonmaskable。
• 例子：嵌入式系统中如果主循环未在设定时间内喂狗，硬件触发复位中断。

📌 Demand Paging（请求分页）

• 定义：虚拟内存技术，程序访问尚未加载入内存的页时触发缺页中断。
• 类型：由 CPU 检测出页不存在，触发 Exception，属于 Fault。
• 例子：访问一个尚未映射到物理内存的地址，触发页错误（Page Fault）。

📌 Division by Zero（除以零）

• 定义：CPU 执行除法指令时，除数为 0。
• 类型：由 CPU 检测，属于 Fault 类型的 Exception。
• 例子：执行 int x = a / b; 且 b 为 0 时，程序会因非法操作被中断。

📌 Timer（定时器）

• 定义：周期性触发的硬件时钟，用于时间片轮转等任务调度。
• 类型：典型 Maskable Interrupt，可通过禁用中断暂时忽略。
• 例子：Linux 的时钟中断，用于触发 schedule() 进行任务调度。

📌 System Call（系统调用）

• 定义：用户程序主动请求内核服务的一种机制。
• 类型：通过指令 int 0x80 或 syscall 触发，属于 Exception → Trap。
• 例子：调用 write() 向文件写入内容，会陷入内核处理写操作。

📌 Breakpoint（断点）

• 定义：用于调试的中断点，由调试器设置。
• 类型：执行完指令后触发，属于 Trap Exception。
• 例子：在 GDB 中设置断点，程序运行到此处会暂停。

📌 Exception（异常）

• 定义：CPU 在执行指令过程中自行检测出的错误或事件。
• 类型：统称，包含 Fault（如页错误）、Trap（如调试陷阱）、Abort（不可恢复错误）。
• 例子：访问非法地址 → 页错误（Fault）；执行调试断点 → Trap。

📌 Interrupt（中断）

• 定义：外部事件触发 CPU 响应并中断当前程序的机制。
• 类型：
  • Maskable：可通过 CLI/STI 禁用/启用；
  • Nonmaskable：高优先级中断，永远不能屏蔽。
• 例子：
  • 网卡收到数据包触发中断（Maskable）；
  • 电源异常触发 NMI 中断（Nonmaskable）。

📌 Maskable（可屏蔽中断）

• 定义：可以被程序主动屏蔽（如 CLI 指令）的一类中断。
• 例子：USB 插拔事件、定时器中断等，关键代码段可临时关闭中断防止竞态。

📌 Nonmaskable（不可屏蔽中断）

• 定义：无法被屏蔽的高优先级中断。
• 例子：硬件错误检测，如内存校验错误、看门狗超时。

📌 Trap（陷阱）

• 定义：在指令执行完毕后报告的异常，通常用于系统调用或调试。
• 例子：int 0x80、断点调试。

📌 Fault（故障）

• 定义：在指令执行前检测到的异常，可以在修复后重试。
• 例子：页错误（Page Fault）、除零错误。