Linux Kernel（14）- Kernel Synchronization

這裡簡單介紹的介紹一下Kernel Synchronization的幾個觀念的幾個觀念。

1. Race Condition
當多個process同時對同一個資料進行存取，且執行結果和其存取順序的不同而有所不同，稱為race condition。
2. Critical Regions(或稱critical sections)
指的是一個存取共用資源的程式片斷。
3. Kernel Synchronization
簡單說防止kernel發生race condition。保護的重點是shared data，而且保護的範圍和負擔越小越好。

Kernel Synchronization常見的作法就是locking，每次只允許一個process可以存取share data，就可以避免race condition了。

在kernel中有幾種引發concurrency的可能
1. Interrupt
當CPU收到interrupt會立刻中斷目前工作去執行interrupt handler。
2. Softirq
當softirq被raise起來就會中斷目前工作去執行softirq。
3. kernel preemption
如果kernel preemption被開啟，那麼task就可能被中斷。
4. Sleeping
如果kernel執行到blocking code，就可能被schedule出去。
5. SMP
同時間兩個以上的CPU存取相同的資料就會發生race condition。

在linunx kernel中，執行的context主要分成兩種interrupt context和process context，凡是只要in_interrupt()都是interrupt context，所以引起的原因包含Hardware interrupt和softirq兩種。以下就擷取片段程式碼說明。

// thread_info存放在task的stack裡面
# define task_thread_info(task)  ((struct thread_info *)(task)->stack)

// thread_info中的preempt_count分成幾個部份
// bits 0-7 are the preemption count (max preemption depth: 256)
// bits 8-15 are the softirq count (max # of softirqs: 256)
// bits 16-25 are the hardirq count (max # of nested hardirqs: 1024)
// bit 26 is the NMI_MASK
// bit 28 is the PREEMPT_ACTIVE flag
struct thread_info {
    struct task_struct *task;   /* main task structure */
    int    preempt_count;       /* 0 => preemptable */
};

# define preempt_count()        (current_thread_info()->preempt_count)
# define add_preempt_count(val) do { preempt_count() += (val); } while (0)
# define sub_preempt_count(val) do { preempt_count() -= (val); } while (0)

// 當每次呼叫irq_enter()就會將preempt_count屬於HARDIRQ的部份遞增
#define __irq_enter()                       \
    do {                                    \
        account_system_vtime(current);      \
        add_preempt_count(HARDIRQ_OFFSET);  \
        trace_hardirq_enter();              \
    } while (0)

# define invoke_softirq()   do_softirq()
# define IRQ_EXIT_OFFSET    HARDIRQ_OFFSET
/*
 * Exit an interrupt context. Process softirqs if needed and possible:
 */
void irq_exit(void)
{
    // 離開hard interrupt所以要減回去HARDIRQ_OFFSET
    sub_preempt_count(IRQ_EXIT_OFFSET);
    // 如果不在interrupt context(如softirq裡面),
    // 而且softirq有被raise就執行softirq
    if (!in_interrupt() && local_softirq_pending())
        invoke_softirq();
}

此圖出於http://blog.csdn.net/hero7935/archive/2011/05/07/6401522.aspx

參考資料：
• Linux Kernel Development 2nd, Novell Press