让linux变为实时操作系统

我们知道，相对比vxworks，linux内核属于非实时操作系统，原因主要是：

（1）实时任务抢占时间是不可预期的。

（2）为什么抢占是不可预期的呢？这涉及到内核中的抢占点知识，其中spin_lock锁，在unlock时是一个抢占点，但是spinlock本身内部是不可以抢占的，这种api在内核中大量使用，事实上是spin_lock与spin_unlock之间临界区代码片段不可预期的。

具体用一个例子来说明，为什么linux不是实时的。

某场景：

一个普通任务运行过程中，通过系统调用进入内核态拿了一把spin_lock这样的锁，在拿锁过程中，发生了硬件中断，于是cpu立即去处理硬件中断，在这个硬件中断处理函数（ISR）中唤醒了一个RT任务，硬件中断处理完后，还有可能处理软中断，也有可能没有，根据设备驱动实际场景决定（中断底半步）。当中断顶半步&底半步全部执行完后，事实上RT任务还是得不到运行的，因为前面有一个普通任务拿了spinlock锁，spinlock是会关抢占的，所以还要等到普通任务调用到spin_unlock的那一刻，RT任务才能进行抢占。

由上面例子可以看出，从唤醒RT任务到RT任务被执行，这段时间是不可预期的，所以通常linux不是一个硬实时的系统。

如何让linux变成一个硬实时操作系统呢？首先要知道什么是实时操作系统，实时操作系统的重要特性就是系统中的实时任务，要在一个可预期的时间范围内必须得到执行。当一个高优先级任务被唤醒执行，或主动执行时，他必须可以立即抢占其他任务，得到cpu的执行权，这段时间必须是可预期的。像我们所熟知的vxworks实时系统，可以做到10ns以内可预期。

我们的linux内核属于宏内核，和vxworks微内核设计思想不一样，linux大量用在服务器、嵌入式领域。服务器更追求的是高密度计算，系统吞吐能力。很多产品、工程场景，并不要求有多么精准的实时性。

回到正题。我们怎么提高linux实时性呢？其实kernel.org官方已经提供了相关补丁，我们只需要将开源linux内核打上rt补丁，就可以让linux变成实时操作系统。

值得一提的是，不是每个linux版本都有实时补丁的，可以根据需要进行下载使用。比如我在用qemu做实验的时候使用了linux-4.4.97内核。对应的补丁为 patches-4.4.97-rt111.tar.gz。

[34#yuchen@ubuntu kernel]# ls -l
total 130484
drwxr-xr-x 22 root root      4096 Apr 15 21:29 build
drwxrwxr-x 25 root root      4096 Jul 12 20:49 linux-4.4.97
-rwx------  1 root root 133077621 Feb 18  2018 linux-4.4.97.tar.gz
drwxr-xr-x  2 5657 5657     40960 Aug 23 22:58 patches
-rwx------  1 root root    485551 Apr 15 19:52 patches-4.4.97-rt111.tar.gz
[35#yuchen@ubuntu kernel]#

打补丁脚本：

[35#yuchen@ubuntu kernel]# cat linux-4.4.97/patch.sh 
#!/bin/sh

for i in `ls ../patches/*.patch`
do
        patch -p1 < $i
done
[36#yuchen@ubuntu kernel]#

补丁原理：

前面已经分析过，spin_lock锁会关掉cpu抢占调度，影响实时性。所以RT补丁将spin_lock锁变成可以抢占了，这样就不用等到unlock时才能调度到rt任务。

RT补丁打入内核后，内核额外提供了几种抢占模型：

( ) No Forced Preemption (Server)                  ----不强制抢占

 (X) Voluntary Kernel Preemption (Desktop)         ----自愿抢占
 ( ) Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)    ----抢占式内核
 ( ) Preemptible Kernel (Basic RT)                        ----基本实时
 ( ) Fully Preemptible Kernel (RT)                          ----完全实时

实时性依次增强，当我们配上Fully Preemptible Kernel时，内核代码中所有的mutex锁，sem信号量，spin_lock全部变成了实时锁，实时锁意味着任何地方都可以抢占，所以RT补丁后实时性就非常强了。但我们要知道实时性越强，吞吐能力就越弱。cpu频繁任务调度的开销也是不小哦！

最后

以上就是不安日记本为你收集整理的让linux变为实时操作系统的全部内容，希望文章能够帮你解决让linux变为实时操作系统所遇到的程序开发问题。

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