第四章 進程調度

可以參考《深入Linux內核架構》第二章閱讀筆記。

1. 調度程序的職責

• 負責決定那個進程投入運行，何時運行以及運行多長時間
• 在一組處於可運行狀態的進程中選擇一個來執行，這是調度程序的基本工作

2. 多任務操作系統就是能同時併發地交互執行多個進程的操作系統

3. 多任務系統分類

• 非搶佔式多任務：除非進程自己主動停止運行，否則它會一直執行。進程主動掛起自己的操作稱爲讓步（yielding）。
• 搶佔式多任務：Linux採用了這種。搶佔的含義：由調度程序來決定什麼時候停止一個進程運行，以便其他進程能夠得到執行機會，這個強制的掛起動作就叫做搶佔。進程在被搶佔之前能夠運行的時間是預先設置好的，稱爲進程的時間片（timeslice）。

4. I/O消耗型和处理器消耗型的进程

• I/O消耗型：经常处于可运行狀態，但通常運行時間很短，因爲它在等待更多的IO請求時最後都會阻塞。比如多數用戶圖形界面程序都屬IO密集型。
• 處理器消耗型：把時間大多用在執行代碼上。除非被搶佔，否則它們通常都一直不停執行，因爲它們沒有太多的IO需求。

注：有的進程既屬於IO消耗型，也是處理器消耗型。如字處理器。

5. Linux系統爲了保證交互式應用和桌面系統的性能，更傾向於優先調度IO消耗型進程。

6. 調度程序總是選擇時間片未用盡而且優先級最高的進程運行。

7. Linux採用的兩種優先級：

• nice值：範圍是從-20到19，值越大，優先級越低。在Linux系統中，nice值代表了時間片的比例，使用命令ps -el可以查看標記NI的那列。
• 實時優先級：範偉是從0到99，值越大，優先級越高。任何實時進程的優先級都高於普通進程。使用命令
• 1. ps -eo pid,tid,class,rtprio,ni,pri,psr,pcpu,stat,wchan:14,comm

  可以查看實時優先級，在RTPRIO列下，如果爲“-”，表示該進程不是實時進程。

• 注：實時優先級和nice優先級是兩個互不相交的範疇。從剛纔的命令也可以看出，實時進程沒有nice值，而有nice值的進程一定不是實時進程。
• 1.  PID   TID CLS RTPRIO  NI PRI PSR %CPU STAT WCHAN          COMMAND
  2.    1     1 TS       -   0  19   0  0.0 Ss   -              init
  3.    2     2 TS       -   0  19   5  0.0 S    -              kthreadd
  4.    3     3 TS       -   0  19   0  0.0 S    -              ksoftirqd/0
  5.    5     5 TS       - -20  39   0  0.0 S<   -              kworker/0:0H
  6.    7     7 TS       -   0  19   2  0.2 S    -              rcu_sched
  7.    8     8 TS       -   0  19   0  0.0 S    -              rcu_bh
  8.    9     9 TS       -   0  19   1  0.0 S    -              rcuos/0
  9.   10    10 TS       -   0  19   0  0.0 S    -              rcuob/0
  10.   11    11 FF      99   - 139   0  0.0 S    -              migration/0
  11.   12    12 FF      99   - 139   0  0.0 S    -              watchdog/0
  12.   13    13 FF      99   - 139   1  0.0 S    -              watchdog/1
  13.   14    14 FF      99   - 139   1  0.0 S    -              migration/1
  14.   15    15 TS       -   0  19   1  0.0 S    -              ksoftirqd/1
  15.   17    17 TS       - -20  39   1  0.0 S<   -              kworker/1:0H

8. 時間片是一個數值，它表明進程在被搶佔前所能持續運行的時間。

時間片過長會導致系統對交互的響應表現欠佳，太短的話會明顯增大進程切換帶來的處理器耗時。

9. 在Linux系統中，當一個進程進入可執行態，它就被准許投入運行。在多數OS中，是否要將一個進程立刻投入運行（即搶佔當前進程），是完全由進程優先級和是否有時間片決定的。而對於Linux所使用的新的CFS調度器，其搶佔時機取決於新的可執行進程消耗了多少處理器使用比（nice的比值）。如消耗的使用比比當前進程小，則新進程立刻投入運行，搶佔當前進程。否則，將推遲運行。

10. CFS 完全公平調度類

• 完全摒棄時間片而是分配給進程一個處理器使用比重。通過這種方式，CFS確保了進程調度中能有恆定的公平性，而將切換頻率置於不斷變動中。
• 任何進程所獲得的處理器時間是由它自己和其他所有可運行進程nice值的相對比值決定的
• 任何nice值對應的絕對時間不在是一個絕對值，而是處理器的使用比。
• 確保給每個進程公平的處理器使用比

11.  可運行隊列

• CFS使用紅黑樹來組織可運行進程隊列，並利用其迅速找到最小vruntime的進程。
• 在進程變爲可運行狀態（被喚醒）或者通過fork()調用第一次創建進程時會被加到所屬的調度類的可運行隊列中
• 從可運行隊列中刪除進程的動作發生在進程阻塞或者終止時

12. 調度器的入口

進程調度器的主要入口是函數schedule()，schedule()會調用pick_next_task函數，按照優先級的大小，從高到低遍歷每一個調度類，每一個調度類都有自己的可運行隊列，然後獲得該調度類下的優先級最高的進程，如果爲空，那麼繼續處理下一個優先級的調度類。

schedule會調用下面的pick_next_task函數：

1. /*
2. * Pick up the highest-prio task:
3. */
4. static inline struct task_struct *
5. pick_next_task(struct rq *rq, struct task_struct *prev)
6. {
7. const struct sched_class *class = &fair_sched_class;
8. struct task_struct *p;
10. /*
11. * Optimization: we know that if all tasks are in
12. * the fair class we can call that function directly:
13. */
14. if (likely(prev->sched_class == class &&
15.   rq->nr_running == rq->cfs.h_nr_running)) {
16. p = fair_sched_class.pick_next_task(rq, prev);
17. if (unlikely(p == RETRY_TASK))
18. goto again;
20. /* assumes fair_sched_class->next == idle_sched_class */
21. if (unlikely(!p))
22. p = idle_sched_class.pick_next_task(rq, prev);
24. return p;
25. }
27. again:
28. for_each_class(class) {
29. p = class->pick_next_task(rq, prev);
30. if (p) {
31. if (unlikely(p == RETRY_TASK))
32. goto again;
33. return p;
34. }
35. }
37. BUG(); /* the idle class will always have a runnable task */
38. }

在Linux如下以及調度類：

1. struct sched_class stop_sched_class;
2. struct sched_class dl_sched_class;
3. struct sched_class rt_sched_class;
4. struct sched_class fair_sched_class;
5. struct sched_class idle_sched_class;

其中優先級的順序是: stop > dl > rt > fair > idle。高優先級的調度類利用其next字段指向相鄰的低優先級的調度類。如：

1. const struct sched_class stop_sched_class = {
2. .next = &dl_sched_class,
3. ......
4. }
6. const struct sched_class dl_sched_class = {
7. .next = &rt_sched_class,
8. .....
9. }
11. const struct sched_class rt_sched_class = {
12. .next = &fair_sched_class,
13. ......
14. }
16. const struct sched_class fair_sched_class = {
17. .next = &idle_sched_class,
18. ......
19. }

idle進程的調度類是idle_sched_class， 這個是在start_kernel ---> rest_init ---> init_idle_bootup_task(current) 設置的。所以不管怎麼樣，一定會找都一個可供CPU執行的進程。

12. 睡眠和喚醒

• 睡眠的過程：進程把自己標記成休眠狀態，放入等待隊列，然後調用schedule()，他會將當前進程從所屬的可執行紅黑樹中移出，然後選擇和執行一個其他進程。睡眠通過等待隊列進行處理，等待隊列是由等待某些事件發生的進程組成的鏈表，內核用wake_queue_head_t表示等待隊列。
• 喚醒過程：進程被設置爲可執行狀態，然後再從等待隊列中移到可執行紅黑樹中。喚醒通過wake_up()實現，它會喚醒指定的等待隊列上的所有進程，它將進程設置爲TASK_RUNNING狀態，然後調用enqueue_task()將其放入紅黑樹，被喚醒的進程優先級如果比當前進程高，還要設置need_resched標誌。

13.  上下文切換

即從一個可執行進程切換到另一個科執行進程，通過context_switch()實現，schedule會調用該函數。它完成的兩項基本工作：

• 調用switch_mm()，完成把虛擬內存從上一個進程映射到新進程中
• 調用switch_to()，完成將上一個進程的處理器狀態切換到新進程的處理器狀態，如保存、恢復棧信息和寄存器信息，還有其他任何與體繫結構相關的狀態信息，都必須以每個進程爲對象進行管理和保存。

14. 進程切換的時機 （除了進程主動調用schedule()之外）

• need_resched標誌：內核提供的標誌用來表明是否需要重新執行一次調度。每一個進程都包含一個need_resched標誌，存放在thread_info結構體裏，用一個特別的標識變量中的一位來表示。對於ARM架構的CPU，定義如下：
• 1. struct thread_info {
  2. unsignedlong flags;/* low level flags */
  3. int preempt_count;/* 0 => preemptable, <0 => bug */
  4. ......
  5. }

  其中，flags的第1位就是用來表示need_resched的。如下：

• 1. /*
  2. * thread information flags:
  3. *  TIF_SYSCALL_TRACE - syscall trace active
  4. *  TIF_SYSCAL_AUDIT - syscall auditing active
  5. *  TIF_SIGPENDING - signal pending
  6. *  TIF_NEED_RESCHED - rescheduling necessary
  7. *  TIF_NOTIFY_RESUME - callback before returning to user
  8. *  TIF_USEDFPU - FPU was used by this task this quantum (SMP)
  9. *  TIF_POLLING_NRFLAG - true if poll_idle() is polling TIF_NEED_RESCHED
  10. */
  11. #define TIF_SIGPENDING 0
  12. #define TIF_NEED_RESCHED 1
  13. #define TIF_NOTIFY_RESUME 2/* callback before returning to user */
  14. #define TIF_UPROBE 7
  15. #define TIF_SYSCALL_TRACE 8
  16. #define TIF_SYSCALL_AUDIT 9
  17. #define TIF_SYSCALL_TRACEPOINT 10
  18. #define TIF_SECCOMP 11/* seccomp syscall filtering active */
  19. #define TIF_NOHZ 12/* in adaptive nohz mode */
  20. #define TIF_USING_IWMMXT 17
  21. #define TIF_MEMDIE 18/* is terminating due to OOM killer */
  22. #define TIF_RESTORE_SIGMASK 20
  23. #define TIF_MM_RELEASED 21/* task MM has been released */
• 設置need_resched的時機：
• 當某個進程應該被搶佔時，scheduler_tick()就會設置這個標誌
• 當某個優先級高的進程進入可執行狀態的時候，try_to_wake_up()會設置該標誌
• 設置方法：set_tsk_need_resched()、clear_tsk_need_resched()
• 檢查方法：need_resched()
• 檢查need_resched的時機（即：發生進程切換的時機）
• 返回用戶空間的時候，這個屬於用戶搶佔
• 從中斷返回的時候（注：這裏從中斷可以返回到內核空間（屬於內核搶佔）或者用戶空間（屬於用戶搶佔），具體要看中斷發生時被打斷的進程正處於什麼空間）

15. 用戶搶佔發生的時機

• 從系統調用返回用戶空間的時候
• 從中斷處理返回用戶空間的時候

16. 內核搶佔發生的時機

• 前提：Linux完整地支持內核搶佔，但是前提是被搶佔的進程沒有持有鎖，即preempt_count是0.
• preempt_count也是每一個進程一個，存放在thread_info中
• 當從中斷返回內核空間的時候，內核會檢查need_resched和preempt_count，如果need_resched爲被設置，並且preempt_count爲0，調度程序就會被調用。否則，就直接從中斷返回當前執行進程。
• 此外，如果當前進程持有的所有的鎖都釋放了，preempt_count就會重新爲0，此時，釋放鎖的代碼會檢查need_resched是否被設置，如果是的話，就會調用調度程序。
• 綜上，發生的時機：
• 中斷處理程序正在執行，且返回內核空間前
• 內核代碼再一次具有可搶佔性的時候（即preemp_count爲0，如釋放鎖）
• 內核中的任務顯式地調用schedule()
• 內核中的任務阻塞（這同樣也會導致調用schedule()，如調用kmalloc可能導致睡眠）

17. 實時調度策略

• Linux提供了兩種實時調度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR，而對於普通的、非實時的調度策略是SCHED_NORMAL。
• 只要有實時進程處於科執行狀態，就會一直執行，直到它自己受阻塞或顯式地釋放CPU爲止。
• SCHED_RR是帶有時間片的SCHED_FIFO。當SCHED_RR任務的時間片耗盡時，同一優先級的其他實時進程被輪流調度，即這裏的時間片只是用來重新調度同一優先級的進程。
• 實時調度策略都是靜態優先級，內核不爲實時進程計算動態優先級。

18. 處理器綁定 processor affinity

Linux調度程序提供強制的處理器綁定機制。task_struct的cpu_allowed位掩碼標誌的每一位對應一個系統可用的處理器，爲一的位表示進程可以在對應的處理器上執行。使用sched_setaffinity()和sched_getaffinity()可以修改和獲得這個值。

完。

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