Linux中断，异常，抢占

1， 基本概念

        中断分为同步中断和异步中断。同步中断是由CPU控制单元产生的，“同步”是指只有在一条指令执行完毕后，CPU才会发出中断，而不是发生在代码指令执行期间，比如系统调用。而异步中断是由其他硬件设备依照CPU时钟信号产生的，即意味着中断能够在指令之间发生，例如键盘中断。

        按照Intel的微处理器手册，同步中断和异步中断也分别称为异常（或者软件中断）和中断。中断大家都比较熟悉，是由硬件设备产生的。异常的产生源有两种：一种是由程序的错误产生的，内核通过发送一个Unix程序员都熟悉的信号来处理异常；第二种时内核必须处理的异常条件产生的，此时内核执行恢复异常需要的所有步骤，例如缺页，或对内核服务的一个请求（系统调用，通过一条int指令）。有一个知识点值得了解：内核态能够触发的唯一异常就是缺页异常，其他的都是用户态触发的。

2， 硬中断，软中断，异常之间的抢占关系

        硬中断可以被另一个优先级比自己高的硬中断“中断”，不能被同级（同一种硬中断）或低级的硬中断“中断”，更不能被软中断“中断”

        软中断可以被硬中断“中断”，但是不能被另一个软中断“中断”，在一个CPU上，软中断是串行执行的，所以在单处理器上，在只在软中断中访问的共享资源不用添加任何同步原语。

        硬中断和软中断都能够抢占异常

3， 用户抢占和内核抢占

抢占分为两种情况，用户抢占和内核抢占

1，  用户抢占：内核即将返回用户空间的时候，如果need resched标志被设置，会导致schedule（）被调用，此时就会发生用户抢占，在内核返回用户空间的时候，它知道自己是安全的。所以，内核无论是在从中断处理程序还是在系统调用后返回，都会检查need resched标志。如果它被设置了，那么，内核会选择一个其他(更合适的)进程投入运行。在内核抢占还没有出现的时候，内核所有的抢占情况都是用户抢占。

2，  内核抢占：内核抢占是指，一个在内核态运行的进程，可能在执行内核函数期间被另一个进程取代。不是在内核的任何一个地方都可以发生内核抢占的。

3，  内核不能被抢占的情况如下：

4，  中断处理或者中断的下半部分处理。

5，  内核持有spinlock自旋锁

6，  内核正在执行schedule（）调度程序

7，  内核正在对每个Per—CPU的数据进行操作

8，  除上述情况外内核可能在任何地方发生内核抢占：

9，  当从中断处理程序正在执行，返回内核空间之前

10，           当代码再一次有可抢占性的时候，如调用spin_unlock和local_bh_enable

11，           内核中的任务显示调用schedule的时候

12，           内核中的任务阻塞

4、怎么对内核临界区进行保护

        在进程内核数据结构的互斥同步访问时，我们最常用的办法是：信号量（睡眠等待），自旋锁（自旋等待），中断禁止和软中断禁止。往往需要几种方法配合使用才能达到我们想要的结果。

4.1、保护异常（最典型的是系统调用）所访问的数据结构

        此时最常选用的是信号量，因为信号量原语允许进程睡眠到资源变为可用，对大部分系统调用而言，这是所期望的行为。信号量的工作方式在单处理器系统和多处理器系统上完全相同。只有在访问每CPU变量的情况下，必须显式地禁用内核抢占，其他情况下内核抢占不会出现问题。

4.2、保护中断所访问的数据结构

        1）单处理器情况下：假如数据结构只被这一种中断访问，则完全可以不加同步原语，因为中断不能被同一种中断“中断”；假如数据结构被多个中断处理程序访问，则必须通过禁用本地中断来保护临界区。

        2）多处理器情况下：除了必须禁用本地中断，还必须使用自旋锁来避免来自其他CPU的干扰。可以使用如spin_lock_irq()来完成这两件事情。

4.3、保护可延迟函数（软中断和tasklet）所访问的数据结构

        1）单处理器情况下：在单处理器系统上不存在竞争条件，因为可延迟函数的执行在一个CPU上是串行的，一个可延迟函数不会被另一个可延迟函数所中断。因此无需同步原语。

        2）多处理器情况下：需要自旋锁来加以保护。由于软中断和tasklet并发程度不同，加锁情况也不同。同一软中断可以在不同CPU上运行，因此无论一个或多个软中断，都必须用如spin_lock加以保护。同一tasklet不能在不同CPU上运行，因此无需加锁；不同tasklet可以在不同CPU上运行，因此也需要如spin_lock的锁加以保护。

4.4、保护由异常和中断访问的数据结构

单处理器情况下：

1）对中断而言：中断不能被异常“中断”，无需考虑异常的干扰。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。

2）对异常而言：异常的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。

多处理器情况下：

1）对中断而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

2）对异常而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

4.5、保护由异常和可延迟函数访问的数据结构

单处理器情况下：

1）对可延迟函数而言：可延迟函数不能被异常“中断”，无需考虑异常的干扰。在每个CPU上可延迟函数串行执行，不存在竞争条件，因此不用同步原语。

2）对异常而言：异常的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地软中断。

多处理器情况下：

1）对中断而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

2）对异常而言：除了单处理器考虑的情况外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

4.6、保护由中断和可延迟函数访问的数据机构

单处理器情况下：

1）对中断而言：中断不能被可延迟函数“中断”，无需考虑可延迟函数的干扰。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。

2）对可延迟函数而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。

多处理器情况下：

1）对中断而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

2）对可延迟函数而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

4.7、保护由异常、中断和可延迟函数访问的数据结构

单处理器情况下：

1）对中断而言：优先级最高，无需考虑其他两种的影响。第1条一样，如果此数据结构只被一种中断访问，则可不加同步原语；否则要禁用本地中断。

2）对可延迟函数而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。

3）对异常而言：可延迟函数的优先级低，如需访问共享数据结构，必须先禁用本地中断。禁用了本地中断，也就相当于禁用了本地软中断。

多处理器情况下：

1）对中断而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

2）对可延迟函数而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。

3）对异常而言：除了单处理器上考虑的外，还必须用自旋锁排除其他CPU的干扰。