Linux内核进程调度schedule深入理解

发布时间:2016-12-9 13:51:58 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
本篇文章主要介绍了"Linux内核进程调度schedule深入理解",主要涉及到Linux内核进程调度schedule深入理解方面的内容,对于Linux内核进程调度schedule深入理解感兴趣的同学可以参考一下。

  一.说明 本文以linux-2.4.10 为例主要分析Linux 进程调度模块中的schedule 函数及其相关的函数。另外相关的前提知识也会说明。默认系统平台是自己的i386 架构的pc。 二.前提知识 在进行schedule 分析之前有必要简单说明一下系统启动过程,内存分配使用等。这样才能自然过渡到schedule 模块。 首先是Linux各个功能模块之间的依赖关系:     可见进程调度是整个内核的核心。但这部分,我想说明的是,我的pc是怎样把操作系统从硬盘装载到内存中,并启动进程调度模块的。然后才是后面对schedule的具体分析。 首先,启动操作系统部分,涉及到到三个文件:/arch/i386/boot/bootsect.s、/arch/i386/boot/setup.s、/arch/i386/boot/compressed/head.s。编译安装好一个Linux系统后,bootsect.s模块被放置在可启动设备的第一个扇区(磁盘引导扇区,512字节)。那么下面开始启动过程,三个文件在内存中的分布与位置的移动如下图。     在经过上图这一系列过程后,程序跳转到system模块中的初始化程序init中执行,即/init/main.c文件。该程序执行一系列的初始化工作,如寄存器初始化、内存初始化、中断设置等。之后内存的分配如下图:     此后,CPU有序地从内存中读取程序并执行。前面的main从内核态移动到用户态后,操作系统即建立了任务0,即进程调度程序。之后再由schedule模块进行整个Linux操作系统中进程的创建(fork),调度(schedule),销毁(exit)及各种资源的分配与管理等操作了。值得一说的是schedule将创建的第一个进程是init(pid=1),请注意它不是前面的/init/main.c程序段。如果是在GNU/Debian系统下,init 进程将依次读取rcS.d,rcN.d(rc0.d~rc6.d),rc.local三个run command脚本等,之后系统的初始化就完成了,一系列系统服务被启动了,系统进入单用户或者多用户状态。然后init 读取/etc/inittab,启动终端设备((exec)getty)供用户登陆,如debian中会启动6个tty,你可以用组合键ctrl+alt+Fn(F1~F6)来切换。 到这里就知道了Linux怎样启动进程调度模块了,也知道了进程调度模块启动的第一个进程init及之后的系统初始化和登陆流程。下面就回过头来分析schedule代码及其相关函数调用。 三.进程调度涉及的数据结构 文件:/linux/include/linux/sched.h 下面只简单介绍数据结构task_struct中的两个字段。 在Linux中,进程(Linux中用轻量级的进程来模拟线程)使用的核心数据结构。一个进程在核心中使用一个task_struct结构来表示,包含了大量描述该进程的信息,其中与调度器相关的信息主要包括以下几个: 1. state volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ Linux的进程状态主要分为三类:可运行的(TASK_RUNNING,相当于运行态和就绪态);被挂起的(TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE和TASK_STOPPED);不可运行的(TASK_ZOMBIE),调度器主要处理的是可运行和被挂起两种状态下的进程,其中TASK_STOPPED又专门用于SIGSTP等IPC信号的响应,而TASK_ZOMBIE指的是已退出而暂时没有被父进程收回资源的"僵死"进程。 2. counter long counter; 该属性记录的是当前时间片内该进程还允许运行的时间。 四. 就绪进程选择算法(即进程调度算法) 文件:/kernel/sched.c 1.上下文切换 从一个进程的上下文切换到另一个进程的上下文,因为其发生频率很高,所以通常都是调度器效率高低的关键。schedule()函数中调用了switch_to宏,这个宏实现了进程之间的真正切换,其代码存放于include/i386/system.h。switch_to宏是用嵌入式汇编写成的,较难理解。 由switch_to()实现,而它的代码段在schedule()过程中调用,以一个宏实现。 switch_to()函数正常返回,栈上的返回地址是新进程的task_struct::thread::eip,即新进程上一次被挂起时设置的继续运行的位置(上一次执行switch_to()时的标号"1:"位置)。至此转入新进程的上下文中运行。 这其中涉及到wakeup,sleepon等函数来对进程进行睡眠与唤醒操作。 2.选择算法 Linux schedule()函数将遍历就绪队列中的所有进程,调用goodness()函数计算每一个进程的权值weight,从中选择权值最大的进程投入运行。 Linux的调度器主要实现在schedule()函数中。 调度步骤: Schedule函数工作流程如下: (1)清理当前运行中的进程 (2)选择下一个要运行的进程(pick_next_task) (3)设置新进程的运行环境 (4) 进程上下文切换   五. Linux 调度器将进程分为三类 进程调度是操作系统的核心功能。调度器只是调度过程中的一部分,进程调度是非常复杂的过程,需要多个系统协同工作完成。本文所关注的仅为调度器,它的主要工作是在所有 RUNNING 进程中选择最合适的一个。作为一个通用操作系统,Linux 调度器将进程分为三类: 1. 交互式进程 此类进程有大量的人机交互,因此进程不断地处于睡眠状态,等待用户输入。典型的应用比如编辑器 vi。此类进程对系统响应时间要求比较高,否则用户会感觉系统反应迟缓。   2. 批处理进程 此类进程不需要人机交互,在后台运行,需要占用大量的系统资源。但是能够忍受响应延迟。比如编译器。   3. 实时进程 实时对调度延迟的要求最高,这些进程往往执行非常重要的操作,要求立即响应并执行。比如视频播放软件或飞机飞行控制系统,很明显这类程序不能容忍长时间的调度延迟,轻则影响电影放映效果,重则机毁人亡。   根据进程的不同分类 Linux 采用不同的调度策略。对于实时进程,采用 FIFO 或者 Round Robin 的调度策略。对于普通进程,则需要区分交互式和批处理式的不同。传统 Linux 调度器提高交互式应用的优先级,使得它们能更快地被调度。而 CFS 和 RSDL 等新的调度器的核心思想是“完全公平”。这个设计理念不仅大大简化了调度器的代码复杂度,还对各种调度需求的提供了更完美的支持。   六. 调度时机:调度什么时候发生?即:schedule()函数什么时候被调用?   调度的发生主要有两种方式: 1:主动式调度(自愿调度) 在内核中主动直接调用进程调度函数schedule(),当进程需要等待资源而暂时停止运行时,会把状态置于挂起(睡眠),并主动请求调度,让出cpu。 2:被动式调度(抢占式调度、强制调度) 用户抢占(2.4  2.6) 内核抢占(2.6)   (1)用户抢占发生在:从系统调用返回用户空间;                               从中断处理程序返回用户空间。 内核即将返回用户空间的时候,如果need_resched标志被设置,会导致schedule()被调用,此时就会发生用户抢占。 主动式调度是用户程序自己调度schedule,也许有人会觉得自己的代码中能引用schedule吗?也许不行吧,但大家知道wait4我们是可以调用的,前面我们没有给出wait4的代码,但我们知道在执行了wait4效果是父进程被挂起,所谓的挂起就是不运行了,放弃了CPU,这里发生了进程调度是显而易见的,其实在代码中有如下几行: current->state = TASK_INTERRUPIBLE;schedule(); 还有exit也有 current->state = TASK_ZOMBIE; schedule(); 这2种发生了进程调度,从代码上也可以看出(状态被改成了睡眠和僵死,然后去调度可运行进程,当前进程自然不会再占有CPU运行了),从效果中也能看出。这说明用户程序自己可以执行进程调度。 (2)内核抢占:在不支持内核抢占的系统中,进程/线程一旦运行于内核空间,就可以一直执行,直到它主动放弃或时间片耗尽为止。这样一些非常紧急的进程或线程将长时间得不到运行。 在支持内核抢占的系统中,更高优先级的进程/线程可以抢占正在内核空间运行的低优先级的进程/线程。 关于抢占式调度(强制调度),需要知道的是,CPU在执行了当前指令之后,在执行下一条指令之前,CPU要判断在当前指令执行之后是否发生了中断或异常,如果发生了,CPU将比较到来的中断优先级和当前进程的优先级(有硬件参与实现,如中断控制器8259A芯片;通过比较寄存器的值来判断优先级;中断服务程序的入口地址形成有硬件参与实现,等等,具体实现请见相关资料和书籍),如果新来任务的优先级更高,则执行中断服务程序,在返回中断时,将执行进程调度函数schedule。   关于抢占式调度,系统代码中,除了前面我们说到的wait4和exit等外(这两个系统函数是自愿或主动调度),还有一个地方会出现了schedule,就是中断返回代码里面出现了,这里出现了还加了限制条件,我们可以看看这个代码(所谓的中断返回代码,就是恢复中断现场的代码,每一个发生中断都会执行到的代码,无论是什么中断),这段代码是: 277 testl $(VM_MASK | 3),%eax  # return to VM86 mode or non-supervisor? 278 jne ret_with_reschedule 279 jmp restore_all 我们看到jne ret_with_reschedule在此之前还有一次条件判断,代码就不过多解释了,意思是:当中断发生在用户控件时候才会执行ret_with_reschedule,那么我们就看到,在中断返回到用户空间的前夕也是可能会发生进程调度的。  简单的说进程调度发生的两种情况:中断返回用户空间前夕,和用户程序自愿放弃CPU,这2种情况会发生进程调度。   在支持内核抢占的系统中,某些特例下是不允许内核被抢占的: (a)内核正在运行中断处理程序,进程调度函数schedule()会对此作出判断,如果是在中断中调用,会打印出错误信息。 (b) 内核正在进行中断上下文的bottom half(中断的底半部)处理,硬件中断返回前会执行软中断,此时仍然处于中断上下文。 (c) 进程正持有spinlock自旋锁,writelock/readlock读写锁等,当持有这些锁时,不应该被抢占,否则由于抢占将导致其他cpu长时间不能获得锁而死锁。 (d) 内核正在执行调度程序scheduler   为了保证linux内核在以上情况下不会被抢占,抢占式内核使用了一个变量preempt_count,称为内核抢占计数。这一变量被设置在进程的thread_info结构体中,每当内核要进入以上几种状态时,变量preempt_count就加1,指示内核不允许抢占,反之减1。    内核抢占可能发生在: 1:中断处理程序完成,返回内核空间之前 2:当内核代码再一次具有可抢占性的时候,如解锁及使能软中断等。    调度标志——Tif_NEED_RESCHED 作用:内核提供了一个need_resched标志来表明是否需要重新执行一次调度。 设置:当某个进程耗尽它的时间片,会设置这个标志         当一个优先级更高的进程进入可执行状态的时候,也会设置这个标志位   进程并发不能靠进程自觉调度,只有靠中断(时钟中断)。   七. 内核调度和内核的理解 1. 内核调度也算是一个任务吗?? 答:不,内核调度只能说是一种任务调度的算法,它不一直在运行,只是在任务结束/时间片结束的时候才执行,选择下一个要运行的任务。 2. 任务和内核的关系? 答:任务是运行在内核的管理之下的,也可以说任务是运行在内核的这个环境里的。 内核调度只是内核功能的一部份。内核本身不存在调度,它可以说一直在运行,主要是运行在任务之内和之间,它负责任务所需的资源处理。 3. 它和正在运行的那个最高优先级的任务是一种什么样的关联呢?? 答:不管优先级多高,它都是运行在内核环境下的,内核是一直在运行的,只不过它是把CPU和其它资源分配给任务,让它运行而已。 4. 什么是内核? 答:其实内核不是一个进程,也不是一个现程。 内核通过他提供的api,融合进了应用程序。也就是说内核只是一种抽象的说法,他本身并不存在,而是在一些特定的时间和特定的条件才运行,才给我们的应用程序提供各种服务。

上一篇:Win32 Series - Hit-Testing in Your Programs
下一篇:web系统发布可能遇到的问题 (此处以自己实际中计量系统遇到的问题分析)

相关文章

相关评论