前言

📫作者简介：小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

CPU 对于任务切换是通过时钟中断来控制的，只要我们将中断屏蔽，就可以保证在当前 CPU 中的所有操作都不会被中断，从而保证了原子性。在单核 CPU 上， 通过操作 EFLAGS 寄存器相当于保存 EFLAGS 表示中断

一、Linux 内核中断控制

如果是在单核 CPU 上，情况又当如何在中断程序中也要获取自旋锁，那么可能造成和应用程序自旋锁相互争用，从而造成死锁。然而，能否将本地的中断禁止，以完成在单核 CPU 上的原子性操作，当我们完成操作后再打开中断。

同时，如果进程在内核中工作，当有高优先级的任务需要被紧急处理时，那么能否在内核态中对其进行抢占呢？

本节将详细描述 Linux 内核中断控制与内核抢占原理。下面看看实现原理。

1、中断原理

从前述理论得知，CPU 对于任务切换是通过时钟中断来控制的，只要我们将中断屏蔽，就可以保证在当前 CPU 中的所有操作都不会被中断，从而保证了原子性。

可能有读者会想，既然有了关中断，为什么还需要信号量、互斥量、自旋锁？

这很简单，在 SMP 即对称多处理器架构中，多个 CPU 共享内存。由于不可以将全部 CPU 的中断都关闭，因此为了支撑 SMP 架构，除了本地中断被关闭之外，还可以通过自旋锁来保证任务操作原子性。

上前述内容在讲解理论时，已经介绍了关中断和开中断的汇编指令 CLI、STI。现在我们来看看所有与中断相关的操作。

2、Linux 内核源码解析

首先将 EFLAGS 寄存器入栈，然后弹出放入所传入的 x 变量中，相当于保存 EFLAGS；将传入的 x 变量入栈，然后弹出放入 EFLAGS 寄存器中。

相当于恢复 EFLAGS 到中，禁止本地 CPU 中断请求，打开本地 CPU 中断请求

判断是否已经禁止了中断请求。可以看到，这里取 EFLAGS 的第九位，看看是否为 0，保存本地 EFLAGS 且禁止中断。这里与 local save flags 不同之处在于，最后的 cli，相当于保存了 EFLAGS，且禁止本地 CPU 中断，local_save flags 只保存了 EFL AGS 并没有禁止中断

// 将 EFLAGS 寄存器入栈，然后弹出放入所传入的x变量中// 相当于保存EFLAGS#define local_save_flags(x)	do {    typecheck(unsigned longx);    _asm__volatile_("pushfl;popl %O":"=g	(x): /* no input */); } while (0)
// 将传入的x变量入栈，然后弹出放入EFLAGS寄存器中。相当于恢复EFLAGS到中#define local irq_restore(x)	do {    typecheck(unsigned long，x);    _asm__volatile__("push %O;popfl": /* no output */ : "g" (x): "memory", "cc"); } while (0)
//禁止本地CPU中断请求#define local irq_disable() _asm__volatile("cli":::"memory")	
// 打开本地CPU 中断请求#define local irq_enable() _asm__volatile_("sti":::"memory")
// 判断是否已经禁止了中断请求。可以看到，这里取 EFLAGS的第九位，看看是否为0#define irqs_disabled()({    unsigned long flags; 
    // //保存本地EFLAGS且禁止中断。这里与local save flags不同之处在于，最后的cli，相当于保存了 EFLAGS    local_save_flags(flags);    !(flags & (1<<9));})
// 且禁止本地CPU中断，local_save flags只保存了EFL AGS并没有禁止中断#define local_irq_save(x) __asm__volatile ("pushfl; popl %0;cli": "=g" (x): /* no input */ : "memory")

二、EFLAGS 寄存器

与中断相关的操作也仅仅只是上面这些了，是不是是很简单，但是我们还是忽略了一个东西，那就是 EFLAGS 寄存器，这到底是是个什么东西呢？

EFLAGS 寄存器包含了一组状态标志、控制标志、系统标志的寄存器。处理器在初始化时将其初始

化为 00000002H。1、3、5、15 和 22~31 保留未使用。 当然，这里不能依赖这些保留未使用的状态位。

1、EFLAGS 寄存器图解

EFLAGS 寄存器的详细描述如下图所示

S 代表状态标志；C 代表控制标志；X 代表系统标志；

其中，状态标志有 6 个；控制标志有 1 个；系统标志有 10 个。

一些标志位可以通过特殊的汇编指令来修改，但是这些可被修改的汇编指令都不能直接对这个寄存器进行操作，只能间接设置。例如，可以通过 LAHF、SAHF、PUSHFD、POPF、POPFD 这些指令来从 EAX 寄存器或者栈中加载或者存标志位

上面的带 L 就是 LOAD，带 S 的就是 STORE。

当通过寄存器或者栈保存好之前的状态位后，就可以通过位操作指令 BT（位测试）、BTS（位测试并设置值）、BTR（位测试并复位值）、BTC（位测试并取反）来检测或者设置状态值。

当挂起一个任务时，CPU 将会自动保存 EFLAGS 寄存器的内容到任务状态段即 TSS 中，下一次在调度任务时再恢复。当然不止有任务切换时会这样做，当我们任务在进行中断或者异常处理时也会保存 EFLAGS 寄存器的值。

2、EFLAGS 寄存器状态标志位

状态标志位，即 0、2、4、6、7、11 标明了 ADD、SUB、MUL、DIV 等算术逻辑运算指令的操作结果。

3、EFLAGS 寄存器控制标志位

控制标志位，只有一个 DF 标志。

这个方向标志（位于 EFLAGS 寄存器的第 10 位）控制串指令（MOVS、 CMPS、SCAS、LODS 和 STOS）。设置 DF 标志使得串指令自动递减（从高地址向低地址方向处理字符串），清除该标志则使得串指令自动递增。STD 和 CLD 指令分别用于设置和清除 DF 标志。

4、EFLAGS 寄存器系统标志位

EFLAGS 寄存器中的系统标志位部分标志位用于控制操作系统或执行操作，它们不允许被应用程序所修改。

总结

CPU 对于任务切换是通过时钟中断来控制的，只要我们将中断屏蔽，就可以保证在当前 CPU 中的所有操作都不会被中断，从而保证了原子性。在单核 CPU 上， 通过操作 EFLAGS 寄存器相当于保存 EFLAGS 表示中断。