Linux内核中断屏蔽的实现

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 ：

• 保证在执行临界区代码时，不被中断所打断
• 同时，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 ：

• 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。
• 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

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。

相关实现 ：

asm：声明一个内联汇编表达式

cpsie i：汇编指令，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

2.2.2 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 ：arch_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。

相关实现 ：同上

• cpsid：是汇编指令，用于清除CPSR寄存器的中断标志，以禁止中断！

2.2.3 arch_local_irq_save

#define arch_local_irq_save arch_local_irq_save
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。

相关实现 ：

mrs %0 IRQMASK_REG_NAME_R：mrs指令将由IRQMASK_REG_NAME_R宏指定的IRQMASK寄存器的值移动到flags变量中。

2.2.4 arch_local_irq_restore

/*
 * restore saved IRQ & FIQ state
 */
#define arch_local_irq_restore arch_local_irq_restore
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

关于local_bh_disable和local_bh_enable两个接口，涉及到中断底半部机制，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：

1. 中断屏蔽的思想
2. 中断屏蔽的好处与不足
3. Linux内核提供的中断屏蔽接口
4. 中断屏蔽的基本汇编实现