current与rq->curr浅析

基于linux-5.4

背景

在内核中检查当前运行任务时有时候会使用rq->curr，而其他时候内核又使用current来作为当前进程使用，究竟二者是什么关系，又什么区别呢？ 带着好奇心我扒开内核代码简单进行了分析

1 rq->curr浅析

rq->curr表示的是rq这个就绪队列上当前正在运行任务的task_struct结构指针，它在调度函数__schedule()中进行更新。

• 在主调度函数__schedule()中，内核先选好下一个将要运行的任务next，然后将任务next更新到rq->curr指针；在__schedule()函数中稍后就会从当前任务(prev)切换到新选择的任务next运行。

__schedule()

　　RCU_INIT_POINTER(rq->curr, next);

由于运行队列runqueue是percpu的，因而在内核中可通过(&per_cpu(runqueues, (cpu)))方式(实际上内核有提供专门的宏cpu_rq(cpu)来完成这个动作)获取到目标cpu的rq，然后通过rq->curr就可获取到目标cpu上正在运行的任务。

 2 current宏

current在内核中通常以宏的形式存在，其实现方式依赖于具体的架构和内核版本，有些实现是从堆栈中获取当前运行任务的task_struct结构指针，有些则从寄存器中获取。

• current的实现

拿 arm64架构 + linux-5.4版本 为背景举例， current实际上是从sp_el0这个寄存器中读取当前任务的task_struct结构指针，这个宏的具体实现如下：

/* current实际上是get_current()函数 */
#define current get_current()

/* get_current()函数实际上是通过mrs指令从sp_el0寄存器取出当前任务的task_struct指针 */
/*
 * We don't use read_sysreg() as we want the compiler to cache the value where
 * possible.
 */
static __always_inline struct task_struct *get_current(void)
{
        unsigned long sp_el0;

        asm ("mrs %0, sp_el0" : "=r" (sp_el0));

        return (struct task_struct *)sp_el0;
}

•  sp_el0值的来历

这个sp_el0存放当前任务的task_struct，它是怎么来的呢？

内核在发生任务切换动作前会将切换的next任务写入percpu变量__entry_task，这样正在cpu上运行的任务的task_struct保存在percpu变量__entry_task中；
同时，由于内核中会频繁使用当前任务"current"，而通过读取percpu变量来获取当前任务还是有一定开销；为此，正在运行的任务(也就是current)从用户态陷入到内核态时，会将这个percpu变量存放到sp_el0寄存器(该寄存器是用户态堆栈指针，在内核态暂时没有使用)中，这样每次获取当前任务时，可直接使用sp_el0来获取。

• 每次任务切换时更新__entry_task为当前任务

__switch_to()-->entry_task_switch(next)
static void entry_task_switch(struct task_struct *next)
{
    __this_cpu_write(__entry_task, next);
}

• 任务从用户态进入到内核态时将__entry_task取出到sp_el0中

    .macro  kernel_entry, el, regsize = 64
    ......
    //取percpu变量__entry_task到tsk
    ldr_this_cpu    tsk, __entry_task, x20
    ......
    .if     el == 0
    msr     sp_el0, tsk        //如果异常发生在用户态，则将tsk取到sp_el0
    .endif

对于sp_el0是如何/何时存放当前任务的，实际上就是在当前任务从用户态进入内核态时动态从percpu变量__entry_task获取的；而这个percpu变量__entry_task则是在前一个任务调用__switch_to()切换到当前任务切换运行时设置的。