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《Linux内核分析》之第四章读书笔记

 4.1多任务

  多任务操作系统:同时并发地交互执行多个进程的操作系统

  多任务操作系统会使多个进程处于堵塞或者睡眠状态。这些任务尽管位于内存,但是并不处于可运行状态。这些进程利用内核堵塞自己,直到某一事件发生。

  多任务系统可以划分为两类:非抢占式和抢占式。

  抢占:强制挂起。

  时间片:分配给每个可运行进程的处理器时间段。

4.2 linux的进程调度

4.3策略

    策略决定调度程序在何时让什么程序运行。

4.3.1I/O消耗型和处理器消耗型的进程

  I/O消耗型:进程的大部分时间用来提交I/O请求或是等待I/O请求。这样的进程经常处于可运行状态,但通常都是运行短短一会儿,因为它在等待更多的I/O请求时总会阻塞。

  处理器消耗型:把时间大多用在执行代码上。除非被抢占,否则他们一般都在一直不停地运行。对待他们的调度策略通常是尽量降低他们的调度频率,而延长其运行时间。

  调度策略的要求:1、响应时间短 2、高吞吐量

4.3.2进程优先级

  思想:根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级

  调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。

  Linux采用了两种不同 的优先级范围:

  1nice值:范围-20~+19,默认值为0;越大的nice值意味着更低的优先级。高优先级的进程可以获得更多的处理器时间。

  2、实时优先级:值可配置,默认情况下的变化范围是0~99.越高的实时优先级数值意味着进程优先级越高。任何实时进程的优先级都高于普通的进程。参考了UNIX相关

  标准:POSIX.1b。    

  实时优先级和nice优先级处于互不相交的两个范畴。

4.3.3时间片

  时间片过长会导致系统对交互的响应表现欠佳,太短会明显增大进程切换带来的处理器耗时。

  进程所获得的处理器时间与系统负载nice值有关。

4.4linux调度算法

4.4.1调度器类

  Linux调度器是以模块方式提供的,这样可以允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。这种模块化的结构称为调度器类。

  每个调度器都有一个优先级,基础的调度器代码定义在kernel/sched.c文件中,它会按照优先级顺序来遍历调度器,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一个程序。

  完全公平调度(CFS):针对普通进程的调度类,在linux中称为SCHED_NORMALCFS算法定义在文件kernel/sched_fair.c中。

4.4.2  unix进程中的进程调度

  存在以下几方面的问题:

  1、若要将nice值映射到时间片,就必然需要将nice单位值对应到处理器的绝对时间,但这样做就会导致进程切换无法最优化进行。

  2、把进程的nice值减小1所带来的效果极大地取决于其nice 的初始值。

  3、如果执行nice 值到时间片的映射,时间片必须是定时器节拍的整数倍,系统定时器限制了两个时间片的差异。

  4、基于优先级的调度器为了优化交互任务而唤醒相关进程,为了进程能够尽快的投入运行,而去对新要唤醒的进程提升优先级,即使他们的时间片已经用尽,使得给定进程打破公平原则,获得更多处理器时间,损害系统中其他进程的利益。

  CFS的改进:完全摒弃时间片而是分配给进程一个处理器使用比重。

4.4.3公平调度

   我们希望进程只运行一个非常短的周期,CFS实现时首先确保系统性能不受损失。

  CFS的做法: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,而不再采用分配给每个进程时间片的做法。Nice值在CFS中被作为进程获得的处理器运行比的权重:越高的nice 值进程获得更低的处理器使用权重。

  如何计算准确的时间片?

  CFS为完美多任务中的无限小调度周期的近似值设立了“目标延迟”,越小的调度周期将带来越好的交互性,同时也更接近完美的多任务。CFS引入每个进程获得的时间片        底线—最小粒度。默认情况下这个值是1ms。即便是可运行进程数量趋于无穷,每个最少也能获得1ms的运行时间,确保切换消耗被限制在一定范围内。

    总结:任何进程获得的处理器时间是由它自己和其他所有可运行进程nice值的相对差值决定的。Nice值对时间片的作用是几何加权,任何nice值对应的绝对时间不再是一个绝对值,而是处理器的使用比。

4.5 linux调度的实现

4.5.1时间记账  

  当每次系统时钟节拍发生时,时间片都会被减少一个节拍周期。当一个进程的时间片被减少到0的时候,它就会被另一个尚未减到0的时间片可运行进程抢占。

  1.调度器实体结构:用来追踪进程运行记账

  调度器实体结构作为一个名为se的成员变量,嵌入在进程描述符struct task_struct内。

  2.虚拟实时

  Vruntime变量存放进程的虚拟运行时间,该运行时间的计算是经过了所有可运行进程总数的标准化。虚拟时间以ns为单位,所以和定时器街拍不再相关。CFS使用vruntime变量来记录一个程序到底运行了多长时间以及它还应该再运行多久。

  Update_curr()计算了当前进程的执行时间,并且将其存放在变量delta_exec中。然后他把运行时间传递给__update_curr(),由后者再根据当前可运行进程总数对运       行时间进行加权计算,最终将上述的权值与当前运行进程的vruntime相加。   

  Update_curr()由系统计数器周期性调用。

4.5.2进程选择

  CFS调度算法的核心:选择具有最小vruntime值得进程。

  CFS使用红黑树来组织可运行进程队列,并利用其迅速找到最小vruntime值得进程。

  1.挑选下一个任务

  CFS的进程选择算法可总结为“运行rbtree树中最左边叶子节点所代表的那个进程。”实现这一过程的函数是__pick_next_entity()

  2.向树中加入进程

  发生在进程变为可运行状态(被唤醒)或者通过fork()调用第一次创建进程时。enqueue_entity()函数实现了这一目的。                   

  该函数更新运行时间和其他一些统计数据,然后调用__enqueue_entity()进行繁重的插入操作,把数据项真正插入到红黑色树中。

  3.从树中删除进程

  删除动作发生在进程堵塞或者终止时。    

4.5.3调度器入口

  进程调度的主要入口点是函数schedule(),它是内核其他部分用于调用进程调度器的入口:选择哪个进程可以运行,何时将其投入运行。该函数中唯一重要的是调用pick_next_task(),该函数会以优先级为序,从高到低,一次检查每一个调度类,并且从最高优先级的调度类中,选择最高优先级的进程。该函数的核心是for()循环,实现了遍历。

4.5.4睡眠和唤醒

  休眠:进程把自己标记成休眠状态,从可执行红黑树中移出,放入等待队列,然后调用schedule()选择和执行一个其他进程。

  唤醒:进程被置为可执行状态,然后在从等待队列中移到可执行红黑树中。

  休眠有两种相关的进程状态:TASK_INTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLE。他们唯一的区别是TASK_UNINTERRUPTIBLE的进程会忽略信号,而TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程如果接收到一个信号,会被提前唤醒并响应该信号。两种状态的信号位于同一等待队列上,等待某些事件,不能够运行。

  1.等待队列

  进程通过下面几个步骤把自己加入一个等待队列:

  2.唤醒

  通过函数wake_up()进行,它会唤醒指定的等待队列上的所有进程。它调用函数try_to_wake_up(),该函数负责将进程设置为TASK_RUNNING状态,调用enqueue_task()将此进程放入红黑树中,如果被唤醒的进程优先级比当前就正在执行的进程优先级高,还要设置need_resched标志。

4.6抢占和上下文切换

  由定义在kernel/sched.c中的context_switch()函数负责处理。当一个新的进程被选出来准备投入运行的时候,schedule()就会调用该函数。它完成了下面两项基本工作:

   调用声明在<asm/mmu_contesxt.h>中的switch_mm(),该函数负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中。

  调用声明在<asm/system.h>中的switch_to(),该函数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。

4.6.1用户抢占

  发生在:

    从系统调用返回用户空间时。

    从中断处理程序返回用户空间时。

4.6.2内核抢占

  只要没有持有锁,内核就可以发生抢占。

  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。

    如果内核空间中的任务显式地调用schedule()。

    如果内核中的任务阻塞。(也会调用schedule())。

4.7实时调度策略

    Linux提供了两种实时调度策略:SCHED_FIFOSCHED_RR

       SCHED_FIFO:先入先出算法。

      SCHED_RR:带有时间片的先入先出算法。

4.8与调度相关的系统调用

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