背景

• Read the fucking source code! --By 魯迅
• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

程序切換：核心將CPU上正在執行的程序掛起，選擇下一個程序來執行。
ARM架構中，CPU上一次只能執行一個任務，核心需要為任務分配執行時間來進行排程，以便同時能處理多個任務請求。
如下圖所示：

當進行任務切換的時候，思考下兩個問題：

1. 怎樣通過搶佔來實現程序的切換？
2. 當程序切換的時候，到底切換的什麼，是怎麼實現的？

這兩個問題，也是本文探討的主題了。

2. 搶佔

2.1 使用者搶佔

2.1.1 搶佔觸發點

• 可以觸發搶佔的情況很多，比如程序的時間片耗盡、程序等待在某些資源上被喚醒時、程序優先順序改變等。Linux核心是通過設定TIF_NEED_RESCHED標誌來對程序進行標記的，設定該位則表明需要進行排程切換，而實際的切換將在搶佔執行點來完成。

不看程式碼來講結論，那都是耍流氓。先看一下兩個關鍵結構體：struct task_struct和struct thread_info。我們在前邊的文章中也講過struct task_struct用於描述任務，該結構體的首個欄位放置的正是struct thread_info

，struct thread_info結構體中flag欄位就可用於設定TIF_NEED_RESCHED，此外該結構體中的preempt_count也與搶佔相關。

struct task_struct {
#ifdef CONFIG_THREAD_INFO_IN_TASK
    /*
     * For reasons of header soup (see current_thread_info()), this
     * must be the first element of task_struct.
     */
    struct thread_info      thread_info;
#endif
        ...
}

/*
 * low level task data that entry.S needs immediate access to.
 */
struct thread_info {
    unsigned long       flags;      /* low level flags */
    mm_segment_t        addr_limit; /* address limit */
#ifdef CONFIG_ARM64_SW_TTBR0_PAN
    u64         ttbr0;      /* saved TTBR0_EL1 */
#endif
    int         preempt_count;  /* 0 => preemptable, <0 => bug */
};

#include <asm/current.h>
#define current_thread_info() ((struct thread_info *)current)   //通過該巨集可以直接獲取thread_info的資訊
#endif
 

看看具體哪些函式過程中，設定了TIF_NEED_RESCHED標誌吧：

• 核心提供了set_tsk_need_resched函式來將thread_info中flag欄位設定成TIF_NEED_RESCHED；
• 設定了TIF_NEED_RESCHED標誌，表明需要發生搶佔排程；

2.1.2 搶佔執行點

使用者搶佔：搶佔執行發生在程序處於使用者態。
搶佔的執行，最明顯的標誌就是呼叫了schedule()函式，來完成任務的切換。
具體來說，在使用者態執行搶佔在以下幾種情況：

• 異常處理後返回到使用者態；
• 中斷處理後返回到使用者態；
• 系統呼叫後返回到使用者態；

如下圖：

• ARMv8有4個Exception Level，其中使用者程式執行在EL0，OS執行在EL1，Hypervisor執行在EL2，Secure monitor執行在EL3；
• 使用者程式在執行過程中，遇到異常或中斷後，將會跳到ENTRY(vectors)向量表處開始執行；
• 返回使用者空間時進行標誌位判斷，設定了TIF_NEED_RESCHED則需要進行排程切換，沒有設定該標誌，則檢查是否有收到訊號，有訊號未處理的話，還需要進行訊號的處理操作；

2.2 核心搶佔

Linux核心有三種核心搶佔模型，先上圖：

• CONFIG_PREEMPT_NONE：不支援搶佔，中斷退出後，需要等到低優先順序任務主動讓出CPU才發生搶佔切換；
• CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY：自願搶佔，程式碼中增加搶佔點，在中斷退出後遇到搶佔點時進行搶佔切換；
• CONFIG_PREEMPT：搶佔，當中斷退出後，如果遇到了更高優先順序的任務，立即進行任務搶佔；

2.2.1 搶佔觸發點

• 在核心中搶佔觸發點，也是設定struct thread_info的flag欄位，設定TIF_NEED_RESCHED表明需要請求重新排程。
• 搶佔觸發點的幾種情況，在使用者搶佔中已經分析過，不管是使用者搶佔還是核心搶佔，觸發點都是一致的；

2.2.2 搶佔執行點

核心搶佔：搶佔執行發生在程序處於核心態。

總體而言，核心搶佔執行點可以歸屬於兩大類：

• 中斷執行完畢後進行搶佔排程；
• 主動呼叫preemp_enable或schedule等介面的地方進行搶佔排程；

2.3 preempt_count

• Linux核心中使用struct thread_info中的preempt_count欄位來控制搶佔。
• preempt_count的低8位用於控制搶佔，當大於0時表示不可搶佔，等於0表示可搶佔。
• preempt_enable()會將preempt_count值減1，並判斷是否需要進行排程，在條件滿足時進行切換；
• preempt_disable()會將preempt_count值加1；

此外，preemt_count欄位還用於判斷程序處於各類上下文以及開關控制等，如圖：

3. 上下文切換

• 程序上下文：包含CPU的所有暫存器值、程序的執行狀態、堆疊中的內容等，相當於程序某一時刻的快照，包含了所有的軟硬體資訊；
• 程序切換時，完成的就是上下文的切換，程序上下文的資訊會儲存在每個struct task_struct結構體中，以便在切換時能完成恢復工作；

程序上下文切換的入口就是__schedule()，分析也圍繞這函式展開。

3.1 __schedule()

__schedule()函式呼叫分析如下：

主要的邏輯：

• 根據CPU獲取執行佇列，進而得到執行隊列當前的task，也就是切換前的prev;
• 根據prev的狀態進行處理，比如pending訊號的處理等，如果該任務是一個worker執行緒還需要將其睡眠，並喚醒同CPU上的另一個worker執行緒;
• 根據排程類來選擇需要切換過去的下一個task，也就是next；
• context_switch完成程序的切換；

3.2 context_switch()

context_switch()的呼叫分析如下：

核心的邏輯有兩部分：

• 程序的地址空間切換：切換的時候要判斷切入的程序是否為核心執行緒，1）所有的使用者程序都共用一個核心地址空間，而擁有不同的使用者地址空間；2）核心執行緒本身沒有使用者地址空間。在程序在切換的過程中就需要對這些因素來考慮，涉及到頁表的切換，以及cache/tlb的重新整理等操作。
• 暫存器的切換：包括CPU的通用暫存器切換、浮點暫存器切換，以及ARM處理器相關的其他一些暫存器的切換；

程序的切換，帶來的開銷不僅是頁表切換和硬體上下文的切換，還包含了Cache/TLB重新整理後帶來的miss的開銷。在實際的開發中，也需要去評估新增程序帶來的排程開銷。

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