linux核心學習筆記(六)進程調度

Linux 核心筆記 – 進程調度

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Linux 核心筆記 – 進程調度

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Linux 核心筆記 – 進程調度

1      前言
2      調度演算法
2.1.1        常用概念
2.1.2        進程資料結構中相關內容
2.1.3        調度演算法說明
2.1.4        相關函數
3      發送器的執行
3.1.1        直接調用
3.1.2        延遲調用
3.1.3        相關函數
4      進程調度
5      SMP系統的調度
6      問題與答案
7      參考文獻

1        前言
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2        調度演算法
2.1.1        常用概念
2.1.1.1            定時中斷
    通過硬體的可程式化插斷控制器8254來實現，定時中斷髮生的頻率由HZ定義，發生的時間間隔被稱為tick。
2.1.1.2            CPU節拍（tick）
電腦內部時間的一個計數單位，表示發生一次時鐘中斷的時間間隔。
2.1.1.3            HZ
 時鐘中斷髮生的頻率。在i386機器上，HZ被定義為100，因此時鐘中斷每10ms一次。
2.1.1.4            CPU時期
      調度是以CPU時期為周期的，在一個CPU時期/調度周期內，系統中所有程式都被執行直到用完當前的時間片，然後所有進程的counter值被重新計算，並開始另一個CPU時期。
2.1.1.5            進程的分類
在發送器看來，系統中的進程分為兩大類，分別是即時進程和普通進程。在任何時候即時進程的執行都高於普通進程。進程資料結構中的policy成員變數表示了進程是哪一類，而sched_set(/get)scheduler提供了控制進程調度policy的使用者級編程介面。
2.1.2        進程資料結構中相關內容
2.1.2.1               1．nice
    進程的優先順序，影響進程獲得CPU事件的多少，20為最低，-19為最高。
2.1.2.2            2．counter
 進程時間片所剩餘的CPU節拍數。初始值根據進程的nice值決定，在每次時鐘中斷髮生時，也就是一個CPU節拍（tick）的時候，當前進程的counter值減1，如果counter值變為0則表示當前進程的時間片已經用完，系統會重新調度，決定下一個執行的進程。
2.1.2.3            3．need_resched
  標誌位。該位在從中斷和系統調用中返回的時候被檢查，need_resched為1的時候表示要求啟動發送器，這通常發生在進程的時間片已經用完，或者因為IO事件發生而強行搶佔當前進程的時候。
2.1.2.4            4．policy
  進程的調度策略。如果調度策略為SCHED_RR或者SCHED_FIFO則表示當前進程為即時進程，否則(SCHED_OTHER)為普通進程。
2.1.3        調度演算法說明
Linux採用相當簡單但實際證明效果不錯的調度演算法。在調度的時候，所有正在運行進程的執行權值(goodness)都被計算，最終權值最高的進程獲得執行的機會。假設得到的最大權值為0，就認為本次CPU時期已經執行完畢，會重新計算所有進程的counter值，開始新的CPU時期。調度演算法的核心就是goodness的計算，計算的基本思路如下：
如果等待調度的進程是即時進程，它的goodness為1000 + 本身的優先順序,而普通進程的goodness遠小於1000，這就保證了即時進程總是優先於普通進程執行。
  如果進程剩餘的counter為0,就認為它已經用光了自己在該時期的CPU時間片，goodness返回0。
  對於其他的情況，用下面的公式來計算goodness:
goodness = counter + 20 – nice；
2.1.4        相關函數
1．schedule()  in kernel/sched.c
主調度函數，選擇要啟動並執行進程
2．goodness() in kernel/sched.c
由schedule()調用，計算進程的執行權值
3        發送器的執行
可以通過兩種方式來啟用發送器，分別是直接調用和延遲調用。
3.1.1        直接調用
   當current進程準備主動放棄CPU的時候，它會直接調用發送器schedule()，將CPU讓給另一個進程。
促使current進程主動放棄CPU的原因有兩種，一種情況是current需要睡眠（阻塞）來等待所需的資源準備好，此時current的狀態被設定為TASK_INTERRUPTABLE或TASK_UNINTERRUPTABLE，在調用schedule()後進程進入睡眠狀態；另一種情況下進程設定SCHED_YIELD的調度策略，然後調用schedule()，此時進程只是短暫的放棄CPU，在下一次schedule()被調用的時候進程會繼續參與CPU的競爭。
3.1.2        延遲調用
通過設定當前進程的need_resched標誌來在其後的某個時刻啟用發送器。前面說過，在從中斷/異常/系統調用中返回時，need_resched標誌被檢查，在標誌不為0的時候會啟用發送器。例如：當時鐘中斷髮生時，中斷處理常式檢查到當前進程的時間片已經執行完畢，它就會設定當前進程的need_resched標誌；另一個例子是當某個IO中斷髮生時，中斷處理常式發現有進程在等待該IO事件，它會將正在等待的進程的狀態變為執行態，並設定當前進程的need_resched標誌。當中斷處理常式結束[注1]，系統會重新調度，在這種情況下，新轉入執行態的進程很可能會獲得執行機會，從而使系統保持對IO事件的快速響應。
[注1]：如果當前進程運行在核心態，即正在執行系統調用過程中，重新調度會延遲到當前進程的系統調用執行完畢才進行。
3.1.3        相關函數
  1．wake_up_common() in kernel/sched.c
   啟用IO等待隊列中的進程，它會順序調用try_to_wake_up()，reschedule_idle()等函數來要求對進程進程重新調度。
  2．do_timer() in kernel/timer.c
   定時時鐘中斷程式，減少當前進程的counter值，如果counter已經用完，則設定進程的need_resched域要求重新調度。
  3．ret_from_intr/sys_call/exception   in arch/i386/entry.S
  組合語言中的程式點，在從中斷/異常/系統調用中返回時都會執行這一段程式，檢查當前進程的need_resched域，如果不為0就會啟用schedule()重新調度。

4        進程調度
linux的進程調度1所示。

 
5        SMP系統的調度
SMP系統中的調度演算法的不同主要表現在調度演算法的最後，對於被切換出當前CPU運行權的進程調用了schedule_tail函數，目的是看能夠將它轉移到另一個CPU中運行。

6        問題與答案
Q．在當前系統下，調度時間片的長度是多少？
A. 與2.2.x版的核心相比，kernel2.4.x的時間片長度縮短了，對於最高優先順序的進程來說，時間片的長度為100ms，預設優先順序進程的時間片長度為60ms，而最低優先順序進程的時間片長度為10ms。
Q. Linux如何保證對I/O事件相對比較快的響應速度，這個響應速度是否與調度時間片的長短有關？
A．當I/O事件發生的是時候，對應的中斷處理常式被啟用，當它發現有進程在等待這個I/O事件的時候，它會啟用等待進程，並且設定當前正在執行進程的need_resched標誌，這樣在中斷處理常式返回的時候，發送器被啟用，原來在等待I/O事件的進程（很可能）獲得執行權，從而保證了對I/O事件的相對快速響應（毫秒級）。
    從上面的說明可以看出，在I/O事件發生的時候，I/O事件的處理進程會搶佔當前進程，系統的響應速度與調度時間片的長度無關。
Q．高優先順序(nice)進程和低優先順序進程在執行上有何區別？例如一個優先順序為-19（最高優先順序）的進程和優先順序為20（最低）的進程有何區別
A. 進程獲得的CPU時間的絕對數目取決於它的初始counter值，初始的counter的計算公式(sched.c in kernel 2.4.14)如下：
p->counter = (p->counter >> 1) + ((20 - p->nice) >> 2) +1)
由公式可以計算出，對於標準進程（p->nice 為0）， 得到的初始counter為6，即進程獲得的時間片為60ms。
最高優先順序進程（nice為-19）的初始counter值為10，進程的時間片為100ms。
最低優先順序進程（nice為20）的初始counter值為1,進程時間片為10ms。
 結論是最高優先順序進程會獲得最低優先順序進程10倍的執行時間，普通優先順序進程接近兩倍的執行時間。當然，這是在進程不進行任何IO操作的時候的資料，在有IO操作的時候，進程會經常被迫睡眠來等待IO操作的完成,真正所佔用的CPU時間是很難比較的。
我們可以看到每次重新計算counter的時候，新的counter值都要加上它本身剩餘值的一半，這種獎勵只適用於通過SCHED_YIELD主動放棄CPU的進程，只有它在重新計算的時候counter值沒有用完，所以在計算後counter值會增大，但永遠不可能超過20。
Q．進程是否可能在執行系統調用的過程中被搶佔？
A．進程在執行系統調用的過程中不會被搶佔。讓我們設想進程a正在執行的過程中發生中斷，而中斷處理常式判斷出系統需要被重新調度，它會設定進程a的need_resched標誌（need_resched標誌的作用參見前面說明），在中斷處理常式結束之後（ret_from_intr），系統會檢查被中斷處理常式中斷執行的進程的優先順序，如果此時進程a處在使用者態，系統會直接啟用發送器完成進程切換；而如果此時進程a處在核心態，系統會不作調度而恢複進程a的執行，只有進程a完成系統調用之後（ret_from_sys_call），它的need_resched標誌才會被檢查，從而完成進程切換。
進程在核心態不會被搶佔的特點減少了單CPU系統中核心設計的複雜性，因為不需要考慮不同進程對核心代碼和資料結構的競爭。

7        參考文獻
1．  Linux核心原始碼版本2.4.14
在任何時候真實的代碼總是提供給我們最準確和詳細的資料。感謝Linus Torvalds，Alan Cox和其它linux開發人員的辛勤勞動。
2．DANIEL P.BOVET & MARCO CESATI
  <> ISBN: 0-596-00002-2  O’REILLY 2001
  中譯版 《深入理解Linux核心》 陳莉君等譯 ISBN: 7-5083-0719-4 中國電力出版社 2001。
本書是專門介紹linux核心結構的書中最詳盡的一本，對程式碼分析講解的也比較深入，基於2.2的核心版本
3．W.Richard Stevens
 《UNIX環境進階編程》 尤晉元譯 ISBN: 7-111-07579-X   機械工業出版社 2000
  UNIX編程聖經，程式員手頭必備的書籍之一,對所有UNIX開發人員，無論水平高低，都有參考價值。翻譯的水準也難得一見的高明。