理解Linux内核之中断控制

乍一看下边的Linux内核代码，貌似L3389有bug，于是我就绕有兴趣地阅读了一下local_irq_save/local_irq_restore的源代码。

/* linux-4.14.12/mm/slab.c#3389 */

  static __always_inline void *

  slab_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags, unsigned long caller)

  {

    unsigned long save_flags;

    void *objp;

....

    local_irq_save(save_flags);

    objp = __do_cache_alloc(cachep, flags);

    local_irq_restore(save_flags);

....

    return objp;

  }

在L3380和L3389中，如果local_irq_save()是一个函数，必然存在着bug, 因为需要把save_flags的变量地址传给local_irq_save()才对。

      unsigned long save_flags;

....

      local_irq_save(save_flags);

L3389是不是该是这样才对啊？

      local_irq_save(&save_flags);

但是，local_irq_save()和local_irq_restore()不是函数，而是宏,这样就没有bug了。

1. local_irq_save()和local_irq_restore()的实现

/* linux-4.14.12/include/linux/irqflags.h#139 */

  #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS

...

  #define local_irq_save(flags)                      \

     do {                                            \

             raw_local_irq_save(flags);              \

             trace_hardirqs_off();                   \

     } while ()

  #define local_irq_restore(flags)                   \

     do {                                            \

             if (raw_irqs_disabled_flags(flags)) {   \

                     raw_local_irq_restore(flags);   \

                     trace_hardirqs_off();           \

             } else {                                \

                     trace_hardirqs_on();            \

                     raw_local_irq_restore(flags);   \

             }                                       \

     } while ()

...

  #else /* !CONFIG_TRACE_IRQFLAGS */

...

  #define local_irq_save(flags)                              \

     do {                                                    \

             raw_local_irq_save(flags);                      \

     } while ()

  #define local_irq_restore(flags) do { raw_local_irq_restore(flags); } while (0)

...

  #endif /* CONFIG_TRACE_IRQFLAGS */

为简单起见，我们只关注!CONFIG_TRACE_IRQFLAGS分支就好了，

  #define local_irq_save(flags)                              \

     do {                                                    \

             raw_local_irq_save(flags);                      \

     } while ()

  #define local_irq_restore(flags) do { raw_local_irq_restore(flags); } while (0)

于是，我们可以认为， locale_irq_save()/local_irq_restore()等同于：

#define local_irq_save(flags)    raw_local_irq_save(flags)

#define local_irq_restore(flags) raw_local_irq_restore(flags)

2. raw_local_irq_save()和raw_local_irq_restore()的实现

/* linux-4.14.12/include/linux/irqflags.h#78 */

  #define raw_local_irq_save(flags)                   \

      do {                                            \

              typecheck(unsigned long, flags);        \

              flags = arch_local_irq_save();          \

      } while ()

  #define raw_local_irq_restore(flags)                \

      do {                                            \

              typecheck(unsigned long, flags);        \

              arch_local_irq_restore(flags);          \

      } while ()

关于宏typecheck()不做解释，因为很直观，就是保证flags的类型必须是unsigned long。于是，raw_local_irq_save()和raw_local_irq_restore()等同于：

#define raw_local_irq_save(flags)       flags = arch_local_irq_save()

#define raw_local_irq_restore(flags)    arch_local_irq_restore(flags)

下面以x86为例说明arch_local_irq_save()和arch_local_irq_restore()这两个函数的实现。

3. arch_local_irq_save()和arch_local_irq_restore()这两个函数在x86上的实现

/* linux-4.14.12/arch/x86/include/asm/irqflags.h#70 */

  static inline notrace unsigned long arch_local_save_flags(void)

  {

      return native_save_fl();

  }

  static inline notrace void arch_local_irq_restore(unsigned long flags)

  {

      native_restore_fl(flags);

  }

...

  static inline notrace unsigned long arch_local_irq_save(void)

  {

     unsigned long flags = arch_local_save_flags();

     arch_local_irq_disable();

     return flags;

  }

函数arch_local_irq_save()在调用arch_local_save_flags()还做了一件事，那就是调用arch_local_irq_disable()把中断禁止掉。接下来，我们首先看看native_save_fl()和native_restore_fl()的具体实现。

3.1 native_save_fl()的实现

/* linux-4.14.12/arch/x86/include/asm/irqflags.h#16 */

  static inline unsigned long native_save_fl(void)

  {

      unsigned long flags;

      /*

21       * "=rm" is safe here, because "pop" adjusts the stack before

22       * it evaluates its effective address -- this is part of the

23       * documented behavior of the "pop" instruction.

24       */

      asm volatile("# __raw_save_flags\n\t"

                   "pushf ; pop %0"

                   : "=rm" (flags)

                   : /* no input */

                   : "memory");

      return flags;

  }

这是一段内嵌的汇编代码，后面写一个简单的demo再解释。

3.2 native_restore_fl()的实现

/* linux-4.14.12/arch/x86/include/asm/irqflags.h#34 */

  static inline void native_restore_fl(unsigned long flags)

  {

      asm volatile("push %0 ; popf"

                   : /* no output */

                   :"g" (flags)

                   :"memory", "cc");

  }

同样，这也是内嵌的汇编代码，后面写一个简单的demo再解释。

3.3 反汇编理解native_save_fl()和native_restore_fl()

foo.c

 static inline unsigned long native_save_fl(void)

 {

         unsigned long flags;

         /*

          * "=rm" is safe here, because "pop" adjusts the stack before

          * it evaluates its effective address -- this is part of the

          * documented behavior of the "pop" instruction.

          */

         asm volatile("# __raw_save_flags\n\t"

                      "pushf ; pop %0"

                      : "=rm" (flags)

                      : /* no input */

                      : "memory");

         return flags;

 }

 static inline void native_restore_fl(unsigned long flags)

 {

         asm volatile("push %0 ; popf"

                      : /* no output */

                      :"g" (flags)

                      :"memory", "cc");

 }

 int main(int argc, char *argv[])

 {

         unsigned long flags = native_save_fl();

         native_restore_fl(flags);

         return ;

 }

用gcc编译并反汇编

veli@idorax:/tmp$ gcc -g -Wall -o foo foo.c

veli@idorax:/tmp$

veli@idorax:/tmp$ gdb foo

GNU gdb (Ubuntu 7.11.-0ubuntu1~16.5) 7.11.

...<snip>...................................

(gdb) set disassembly-flavor intel

(gdb)

(gdb) disas /m main

Dump of assembler code for function main:

      {

   0x00000000004004f5 <+>:     push   rbp

   0x00000000004004f6 <+>:     mov    rbp,rsp

   0x00000000004004f9 <+>:     sub    rsp,0x20

   0x00000000004004fd <+>:     mov    DWORD PTR [rbp-0x14],edi

   0x0000000000400500 <+>:    mov    QWORD PTR [rbp-0x20],rsi

              unsigned long flags = native_save_fl();

   0x0000000000400504 <+>:    call   0x4004d6 <native_save_fl>

   0x0000000000400509 <+>:    mov    QWORD PTR [rbp-0x8],rax

              native_restore_fl(flags);

   0x000000000040050d <+>:    mov    rax,QWORD PTR [rbp-0x8]

   0x0000000000400511 <+>:    mov    rdi,rax

   0x0000000000400514 <+>:    call   0x4004e6 <native_restore_fl>

              return ;

   0x0000000000400519 <+>:    mov    eax,0x0

      }

   0x000000000040051e <+>:    leave

   0x000000000040051f <+>:    ret

End of assembler dump.

(gdb) #

(gdb) disas /m native_save_fl

Dump of assembler code for function native_save_fl:

       {

   0x00000000004004d6 <+>:     push   rbp

   0x00000000004004d7 <+>:     mov    rbp,rsp

               unsigned long flags;

               /*

6                * "=rm" is safe here, because "pop" adjusts the stack before

7                * it evaluates its effective address -- this is part of the

8                * documented behavior of the "pop" instruction.

9                */

              asm volatile("# __raw_save_flags\n\t"

   0x00000000004004da <+>:     pushf

   0x00000000004004db <+>:     pop    rax

   0x00000000004004dc <+>:     mov    QWORD PTR [rbp-0x8],rax

                           "pushf ; pop %0"

                           : "=rm" (flags)

                           : /* no input */

                           : "memory");

              return flags;

   0x00000000004004e0 <+>:    mov    rax,QWORD PTR [rbp-0x8]

      }

   0x00000000004004e4 <+>:    pop    rbp

   0x00000000004004e5 <+>:    ret

End of assembler dump.

(gdb) #

(gdb) disas /m native_restore_fl

Dump of assembler code for function native_restore_fl:

      {

   0x00000000004004e6 <+>:     push   rbp

   0x00000000004004e7 <+>:     mov    rbp,rsp

   0x00000000004004ea <+>:     mov    QWORD PTR [rbp-0x8],rdi

              asm volatile("push %0 ; popf"

   0x00000000004004ee <+>:     push   QWORD PTR [rbp-0x8]

   0x00000000004004f1 <+>:    popf

                           : /* no output */

                           :"g" (flags)

                           :"memory", "cc");

      }

   0x00000000004004f2 <+>:    nop

   0x00000000004004f3 <+>:    pop    rbp

   0x00000000004004f4 <+>:    ret

End of assembler dump.

(gdb) q

veli@idorax:/tmp$

根据上面的反汇编代码不难看出，native_save_fl()和native_restore_fl()的实现异常简单。

native_save_fl()

; static inline unsigned long native_save_fl(void)

0x00000000004004da <+>:        pushf                          ; 把标志寄存器(FLAGS)压入栈(Stack)中

0x00000000004004db <+>:        pop    rax                     ; 通过出栈操作把标志寄存器的值存入rax中

0x00000000004004dc <+>:        mov    QWORD PTR [rbp-0x8],rax ; 把rax存入局部变量flags中

0x00000000004004e0 <+>:       mov    rax,QWORD PTR [rbp-0x8] ; 根据ABI, 返回值总是存于rax中，这里等同于return flags

native_restore_fl()

; static inline void native_restore_fl(unsigned long flags)

0x00000000004004ea <+>:        mov    QWORD PTR [rbp-0x8],rdi ; 根据ABI, 函数的第一个参数通过寄存器rdi传递

                                                               ; 于是，等同于将第一个参数flags存入一个局部变量中

0x00000000004004ee <+>:        push   QWORD PTR [rbp-0x8]     ; 等同于将第一个参数flags压入栈中

0x00000000004004f1 <+>:       popf                           ; 通过初栈操作把flags的值回复到标志寄存器FLAGS中

注意：操作标志寄存器FLAGS(16位： flags, 32位： eflags, 64位: rflags)，必须通过pushf和popf这两个指令，而不能使用push和pop指令。

因此，我们可以得出如下结论，(在x86平台上)

local_irq_save()就是把标志寄存器保存到一个局部变量flags中，然后禁止中断;
local_irq_restore()则是通过局部变量flags的值恢复标志寄存器，中断自动打开。

4. arch_local_irq_disable()和arch_local_irq_enable()在x86上的实现

/* linux-4.14.12/arch/x86/include/asm/irqflags.h#80 */

  static inline notrace void arch_local_irq_disable(void)

  {

      native_irq_disable();

  }

  static inline notrace void arch_local_irq_enable(void)

  {

      native_irq_enable();

  }

/* linux-4.14.12/arch/x86/include/asm/irqflags.h#42 */

  static inline void native_irq_disable(void)

  {

      asm volatile("cli": : :"memory");

  }

  static inline void native_irq_enable(void)

  {

      asm volatile("sti": : :"memory");

  }

从上面的代码可以看出，在x86中，

arch_local_irq_disable()的实质是执行汇编指令cli
arch_local_irq_enable的实质则是执行汇编指令sti

到此为止，我们已经搞清楚了如下4个宏的作用。

local_irq_disable() : 禁止本地中断传递。在x86上，本质上是调用汇编指令cli;
local_irq_enable() : 激活本地中断传递。在x86上，本质上是调用汇编指令sti;
local_irq_save() : 保存本地中断传递的当前状态，然后禁止本地中断传递。在x86上，本质上是调用pushf+pop先保存标志寄存器到一个变量flags中，然后调用汇编指令cli;
local_irq_restore() : 恢复本地中断传递到给定的状态。在x86上，本质上是调用push+popf重置标志寄存器。

更多有关中断控制的细节，请阅读源代码和《Linux Kernel Development》一书的第7章:中断和中断处理。常用的中断控制方法，如下图所示。

If all you have is a hammer, everything looks like a nail. | 如果你拥有的东西就只有一把锤子，那么一切事物在你眼里都看起来是钉子。 （P.S. 保持Open的心态很重要啊）

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