《Linux内核设计与实现》CHAPTER4阅读梳理

《Linux内核设计与实现》CHAPTER4阅读梳理

【学习时间：3hours】

【学习内容：多任务；进程调度策略；Linux中进程调度的关键问题；抢占】

个人思考部分见【】标出的部分

一、多任务

1.非抢占式多任务

进程会一直执行直到自己主动停止运行（这一步骤称为让步）

2.抢占式多任务

Linux/Unix使用的是抢占式的方式；强制的挂起进程的动作就叫做抢占。进程在被抢占之前能够运行的时间是预先设置好的（也就是进程的时间片）

二、与策略相关的概念

1.进程的消耗类型

1. I/O消耗型进程
   • 进程的大部分时间用来提交I/O请求或者等待I/O请求
   • 多数用户图形界面（GUI）都属于I/O密集型
2. 处理器耗费型
   • 时间大多数用在执行代码上
   • 例如MATLAB
   • 往往要延长运行时间并降低调度频率

2.进程优先级

1. 基于优先级的调度：优先极高的进程先运行；相同优先级的进程按照轮转方式进行调度；
2. 优先级分为两类
   • nice值（从-20——+19）：默认值为0；数值越大意味着优先级越低；可以通过 ps-el查看系统进程列表并找到NI标记列对应的优先级
   • 实时优先级（从0——99）：越高的实时优先级级数意味着进程优先级越高
   • 二者互不交互
3. 时间片
   • 时间片表示进程在被抢占之前所能够持续运行的时间；调度策略必须确定一个默认的时间片；
   • Linux的CFS调度器并没有直接划分时间片到进程，而是将处理器的使用比例划分给了进程。也就是说，其抢占时机取决于新的可执行程序消耗了多少处理器使用比，如果消耗的使用比比当前进程小，则新进程立即投入运行抢占当前进程。

三、Linux调度算法

1.调度器类

1. Linux调度器是以模块方式提供的（也就是调度器类），目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法
2. 调度器类允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程；
3. 调度器代码会按照优先级顺序遍历调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度器类胜出，去选择下面要执行的那一个程序；

2.Unix中系统调度问题

1. 将nice值映射到时间片的话，就必须将nice值对应到处理器的绝对时间；这样会导致进程切换无法最优进行；
2. 如果使用相对nice值，所带来的效果将会极大取决于其nice的初始值；
3. 如果执行nice值到时间片的映射，时间片极大受制于定时器。

3.公平调度

1. CFS基于一个简单的理念：进程调度的效果应当如同系统具备一个理想中的完美任务处理器。CFS的做法如下：
   • 允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程；
   • nice值作为进程获得的处理器运行比的权重（而不是完全由nice决定时间片）；
   • 每个进程都按照其权重在全部的可运行进程中所占的比例对应的“时间片”来运行

【所谓“鱼与熊掌不可得兼”即如此——越小的调度周期就会表现出越好的交互性，也更接近于“同时完成多任务”这一孜孜追求的目标；然而系统必须承受更高的切换代价和更差的系统吞吐量——甚至将绝大多数精力耗费在这种来回倒腾上】

四、Linux调度的实现

1.时间记账

• 所有的调度器都必须对进程的运行时间做记账；
• CFS使用调度器实体结构来追踪运行记账

2.虚拟实时

• vrntime变量【也就是在上面所说的实体结构中】存放虚拟运行时间。虚拟时间以ns为单位，和节拍定时器无关；
• update_curr()函数实现了记账功能；计算了当前进程的执行时间并将其存放在data_exec中；然后将运行时间传递给了_update_curr()，由后者再根据当前可运行进程总数对运行时间进行计算，最终确定上述的权重值与当前运行进程的vrntime。
• 

3.进程选择

1. CFS算法核心：选择具有最小vrntime的任务
2. 具体做法：利用红黑树rbtree（以节点形式存储数据的二叉树）
3. 举例：
   • 选择下一个任务：从根节点中序遍历二叉树，一直到叶子节点（也就是vrntime最小的进程）；
   • 向树中加入进程：在进程变为可执行状态或者通过fork()调用第一次创建进程；
   • 从树中删除进程：发生在进程阻塞或者终止的时候

【由此我们可以看到，二叉树中存储的全部是可执行进程】

4.进程调度入口

1. 进程调度的主要入口点是函数schedule()，定义在kernel/sched.c中；这正是内和其他部分用于调度进程调度器的入口
2. 这一函数最重要的工作就是调用pick_next_state()，依次检查每一个调度类，并从最高优先级的调度类中，选择最高优先级进程

5.睡眠和唤醒

1. 进程休眠一定是为了等待一些事件

   • 进程把自己标记成休眠状态，从可执行红黑树中移除；
   • 放入等待队列——由等待某些时间发生的进程组成的链表，内核用wake_queue_head_t来代表等待队列
   • 

2. 唤醒操作由函数wake_up()进行

   • 它会调用函数try_to _wake_up()将进程设置为TASK_RUNNING状态，调用enqueue_task()将进程放入红黑树中
   • 当然，也存在虚假唤醒进程的状态

五、抢占和上下文切换

1.上下文切换由定义在kernel/sched.c中的context_switch()函数负责，每当一个新的进程被选出来准备运行的时候，schedule()就会调用该函数：

• 调用switch_mm()，负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新的进程中；
• 调用switch_to()，负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态

2.Linux系统支持内核抢占

1. 只要没有锁，内核就可以进程抢占；
2. 为了支持抢占，每个进程的thread_info都加入了preempt_count计数器（初值为0，每当使用锁的时候就加1，释放锁的时候数值减1），当数值为0的时候，内核就可以抢占
3. 内核抢占发生在：
   • 中断处理程序正在执行且返回内核空间之前；
   • 内核代码再一次具有可抢占性的时候；
   • 内核中的任务显式地调用schedule函数

总结

我们一路从最基本的堆栈变化研究到进程的创建和执行；那么到了现在则水到渠成地开始关注如何协调许多个不同的进程方面（较好的调度策略也是现代处理系统的优势之一）