2529
硬实时是什么？
众所周知，硬实时的概念，其核心并非追求速度的极致，而是确保系统能在预定的、可重复的时间范围内给予确定的响应。这意味着，实时系统的正确性不仅在于计算逻辑的正确，更在于结果的产生时间是否符合预期。以汽车为例，当发生碰撞时，安全气囊必须在极短的时间内弹开，否则可能无法起到应有的保护作用。
在评估实时操作系统（RTOS）的性能时，我们通常会考虑其在最恶劣情况下的延迟。比如，当对Linux进行改造，以实现中断或高优先级任务在100微秒内的确定性延迟时，我们还需要比较其他RTOS如RT-Thread的性能。RT-Thread可能无需改造就能达到微秒级别的延迟。因此，在选择RTOS时，我们需要根据应用的延迟要求来权衡。对于200微秒以内的延迟要求，改造后的Linux可能是一个合适的选择；但对于微秒级别的要求，Linux可能就不是最佳选择。
另外，关于RTOS和Linux在实时性方面的差异，我们需要澄清一个误解。并非在RTOS中随意编写代码就能满足硬实时的要求，同样，在Linux中也并非无法实现实时性。RTOS由于其设计特点和调度机制，通常更容易实现硬实时，但这并不意味着在Linux中就无法实现。Linux通过特定的配置和优化，也可以提供一定程度的实时性，尽管可能无法与专门的RTOS相媲美。
因此，在选择操作系统时，我们需要根据应用的具体需求和场景来权衡。对于需要高实时性的应用，RTOS可能是更好的选择；而对于一些对实时性要求不那么严格的应用，Linux则可能是一个更经济、更灵活的选择。
Linux为什么不硬实时?
我们首先看一下，Linux为什么不能提供硬实时能力。我们认为Linux主要有如下问题（你站在硬实时的角度看它是问题，你换个角度看，它就反而是正确的地方）：
1. spinlock是一个随处可见被内核、驱动使用的API
Linux内核与驱动开发人员对自旋锁（spinlock）的运用可谓是热衷至极。每当遇到无需睡眠且时间较短的临界区保护场景时，他们几乎都会优先考虑使用自旋锁。可以说，如果不了解自旋锁，那么即便在内核与驱动开发领域有所建树，也称不上是真正的英雄。
自旋锁的魅力在于其高效性。当两个或多个执行单元（如线程、中断等）竞相获取同一锁时，自旋锁允许失败的执行单元不是立即进行上下文切换，而是原地自旋等待。这种机制避免了因上下文切换而带来的额外开销，特别是在锁持有时间较短的情况下，自旋等待的代价往往低于上下文切换的代价。
然而，自旋锁也并非完美无缺。它有一个显著的副作用，即当某个执行单元持有锁时，会禁止该CPU核上的抢占调度。这意味着即使存在更高优先级的任务等待执行，也必须等待当前持有锁的任务释放锁后才能获得执行机会。
在Linux内核中，自旋锁的实现主要侧重于核间自旋。当多个核上的执行单元尝试获取同一锁时，它们会在各自的核上进行自旋等待。而在核内，则是通过禁止抢占来实现临界区的保护，确保在持有锁期间不会有其他任务打断当前任务的执行。
综上所述，自旋锁在Linux内核与驱动开发中扮演着重要角色，其高效性使得它在特定场景下成为首选的同步机制。然而，我们也需要认识到它带来的副作用，并在使用时权衡其优缺点。
假设T1、T2、T3和T4这四个任务都在同一个CPU核上运行。当T1成功获取到一个自旋锁（spinlock）时，该CPU核上的抢占调度机制就会被临时禁用。这样做的目的是为了保护临界区内的代码和数据，避免在T1执行关键任务时被其他任务打断。
然而，如果在T1持有自旋锁的过程中，T2作为一个高优先级的实时任务被唤醒并准备执行，由于抢占调度被禁止，T2无法立即打断T1的执行。即使T2的优先级高于T1，它也必须耐心地等待T1释放自旋锁。
这里的问题在于，我们无法精确预知T1将会持有自旋锁多久。这完全取决于T1在临界区内执行的具体任务（即“做xxxx”）的复杂性和耗时情况。由于这种不确定性，T2需要等待的具体时间也变得不可预测。这种不确定性对于实时任务来说是非常不利的，因为它破坏了实时系统所追求的决定性时延。
决定性时延是指在实时系统中，任务能够在预定的、可预测的时间范围内完成。然而，由于T1持有自旋锁的时间不可知，T2的执行被延迟了多久也变得未知，这就破坏了实时系统的决定性时延特性。
因此，在使用自旋锁时，需要仔细考虑其对实时任务调度和时延的影响。在实时性要求非常高的系统中，可能需要考虑其他同步机制或调度策略，以确保实时任务能够得到及时的响应和执行。
2. Linux的中断执行时间可能过长且不可嵌套
众所周知，早期的Linux版本有个标记叫IRQF_DISABLED，标记本中断在执行的时候，其他所有中断都被禁止进入；而后Linux内核实际去掉了这个申请flags，其实就是都是IRQF_DISABLED了，总体可认为Linux内核不支持中断的嵌套。
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id);
中断在执行的时候，所有的中断都进不来，这个设计本身简化了内核，但是对于硬实时的打击是致命的，前面的中断不执行完成，优先级再高的中断也得给我等着。
比如中断1在执行的过程中，来了中断2，而中断2对应的事情是必须要决定性时延的，由于IRQ1的中断服务程序也是码农写的，我们无法确定这个中断服务程序要执行多久。这显然让高优先级中断2的进入延迟不再具备可预期性。
3. 软中断(softirq)是一个比进程上下文优先级更高的上下文
我们设想一个场景，哪怕Linux解决了问题2，就是Linux的中断变地可嵌套，高优先级的中断可以打断低优先级的中断，并且高优先级的中断2唤醒了一个用户写的实时线程。
IRQ2唤醒了实时任务T1，但是T1必须等待IRQ1唤起的软中断(也包括使用软中断上下文的tasklet等)被执行完，T1才能投入执行。IRQ1唤起的softirq的代码是码农写的，这个码农写多久，鬼都不知道，这显然破坏了实时任务T1得以调度执行的确定性时延。
4. 内核里面会屏蔽中断的API如local_irq_disable、spin_lock_irqsave等
前文已经多次指出，在驱动程序中调用local_irq_disable()函数往往被视为一个潜在的问题或者说是bug。原因在于这个函数会禁用本地CPU的中断，但它并不能解决其他CPU核上运行的线程或中断服务程序与当前核上线程之间的竞态条件。尽管在只有一个CPU核的系统中调用此API通常是安全的，但我们在编写Linux内核代码时，应当始终假设我们是在多核环境下工作，这是Linux内核编程跨平台的基本常识。
大部分有经验的开发者都明白，在编写驱动程序时应当避免使用local_irq_disable()这样的API。然而，spin_lock_irqsave()这样的API在内核编程中却非常常见。它通常用于一个特定的场景，即当中断服务程序与线程之间存在潜在的竞态条件时。作为内核程序员，我相信你已经非常熟悉这样的经典用法了，这已经成为了内核编程中的常规操作，体现出了内核编程的严谨性和技巧性。
它把T1、T2、T3、T4、IRQ1、IRQ2这6者之间的竞争消灭于无形。T1如果持有了spin_lock_irqsave，本核上的T2、IRQ1显然进不来，CPU1上面的T3、T4、IRQ2想访问T1访问的临界资源必须spin。IRQ1如果持有了spin_lock， CPU1上面的T3、T4、IRQ2想访问IRQ1访问的临界资源必须spin。
那么，问题又来了，spin_lock_irqsave既屏蔽了抢占，又屏蔽了中断，这会导致中断和实时任务的确定性时延造成不可预期的破坏。因为spin_lock_irqsave和spin_lock_irqrestore是码农写的，鬼都不知道它要多久。
当然，历史上，粗犷的大内核锁（Big Kernel Lock，BKL）也是一个问题。由于晶晶姑娘不喜欢内核粗犷的一面，BKL在如今的内核里面已经烟消云散。
在Linux的世界里，这些锁当然都没有一个锁牛逼，就是RCU，尤其是面对这个世界符合阿姆达尔定律（Amdahl's law）定律的情况下，我们既要保证临界资源访问的被保护，又要尽一切可能地让多个线程同时狂奔。关于RCU的细节，谢神医已经有多篇文章论述。
Linux的世界大概是这样的:中断、软中断、线程（包括ksoftirqd线程）。我们都清楚地知道，软中断大量陷入的情况下，内核会将后续的软中断投入ksoftirqd内核线程执行，所以软中断还有一个可能的执行时机是在内核线程里面。
5. Linux用户空间内存的lazy分配机制与交换swap
对于喜欢在RTOS写程序的童鞋来说，Linux的世界一时半会难以理解，但是对于写Linux的童鞋来说，绝大多数的RTOS简直就是在裸奔。
我们都知道，在Linux里面，用户空间的内存都执行lazy的分配机制。比如你malloc一个内存
char *p = malloc(1024*1024);
这个时候Linux忽悠你说拿到了内存并且p获得了地址，但是实际的拿到却是在你写的时候，以page fault缺页中断的形式获得的。比如你写p[0]=1就拿到了第一页，你写p[4096]就拿到了第2页。这个lazy的分配机制，也同样适用于栈、代码段等。
你是一个实时的线程，你被唤醒得以执行，你执行的时候，发现你访问的临时变量还没有获得内存，你的代码段可能还特马在硬盘里，请问你实时个什么鬼？你执行到函数b的时候，去访问d[1000]，结果发现这个栈的这页内存还要通过page fault来通过内核buddy去申请，你的确定性延迟还如何满足？
main()
{
…
a();
}
a()
{
…
b();
}
b()
{
int d[1024];
d[1000]=100;
c();
}
当然，已经进入内存的东西，也由于内核的swap机制，会与磁盘进行交换。
绝大多数的RTOS都没有这个“问题”，这也恰恰是他们不够“牛逼”的地方。对于手机、电脑这种富应用的系统而言，你不能用资源已经被确定性分配的思维模式来思考。
Linux preempt-rt如何解决这些问题?
前段时间，这篇文章刷屏了：《Linux实时补丁即将合并进Linux 5.3》 ，许多童鞋都说活久见，实际是活久了也特么没见到。我进内核搜索，发现没有一个体系架构到目前真地使能了支持。
到今天为止，ARCH_SUPPORTS_RT谁他么都不是真：
barry@barryUbuntu:~/develop/linux$ git grep ARCH_SUPPORTS_RT
arch/Kconfig:config ARCH_SUPPORTS_RT
kernel/Kconfig.preempt: depends on EXPERT && ARCH_SUPPORTS_RT
所以，你要真地在mainline见到PREEMPT_RT开花结果，还必须活地更久一点。
当你提到preempt-rt补丁时，强调了Linux的特性和它在实时性方面的考量，这是非常准确的。Linux作为一个功能丰富的操作系统，其设计初衷是支持多样化的应用和场景，包括用户空间的各种进程和线程。
preempt-rt补丁是Linux内核的一个实时性增强补丁，它旨在提升Linux在实时任务调度方面的性能。通过改进内核的调度策略和中断处理机制，preempt-rt使得Linux能够更好地满足实时应用的需求。
相对于其他RTOS，Linux在处理实时任务时确实有其独特之处。RTOS通常更强调高优先级中断的确定性时延，因为它们通常将整个系统编译在一起，可以在中断处理程序中直接嵌入策略。然而，Linux作为一个通用的操作系统，其内核与用户空间之间有着明确的分离。用户空间的应用无法直接访问或修改内核代码，只能通过系统调用等接口与内核进行交互。
因此，在Linux中，实现实时任务的确定性调度时延就显得尤为重要。通过preempt-rt补丁，Linux内核提供了更好的实时调度能力，使得高优先级的RT线程能够得到及时的处理和调度。同时，由于Linux内核提供了丰富的操作接口，开发者可以在用户空间编写应用，通过调用这些接口来利用内核提供的实时功能。
总的来说，Linux不是一个简单的裸机操作系统，它有着复杂的内核架构和用户空间应用。在实现实时性时，需要充分考虑到这种架构的特点，并通过适当的补丁和配置来优化实时性能。而preempt-rt补丁正是为了提升Linux在实时任务调度方面的能力而设计的。
下载ECAD模型
