20135239 益西拉姆 linux內核分析 讀書筆記之第四章

chapter 4 進程調度

4.1 多任務

• 多任務操做系統就是能同時併發的交互執行多個進程的操做系統。

• 多任務系統能夠劃分爲兩類：

  - 非搶佔式多任務：
          - 進程會一直執行直到本身主動中止運行（這一步驟稱爲讓步）
   - 搶佔式多任務：
        - Linux/Unix使用的是搶佔式的方式；強制的掛起進程的動做就叫作搶佔。進程在被搶佔以前可以運行的時間是預先設置好的（也就是進程的時間片）

4.2 linux的進程調度

1. O(1)調度器:對大服務器的工做負載很理想,可是缺乏交互進程。
2. 反轉樓梯最後期限調度算法（RSDL)
3. 徹底公平調度算法（CFS）

4.3 策略

• 策略決定調度程序在合適讓什麼程序運行。

4.3.1 進程分類

• I/O消耗型
  • 進程的大部分時間用來提交I/O請求或者等待I/O請求，常常處於可運行狀態可是運行時間很短，等待更多的請求時最後總會阻塞。

• 處理器消耗型

  • 把時間大多用在執行代碼上，除非被搶佔，不然一般都會不停運行。

• 調度策略一般要在兩個矛盾的目標中間尋找平衡：

  • 進程調度迅速（響應時間短）
  • 最大系統利用率（高吞吐量）

• Linux傾向於優先調度I/O消耗型進程

4.3.2 進程優先級

• 調度算法中最基本的一類就是基於優先級的調度：
  • 優先極高的進程先運行；相同優先級的進程按照輪轉方式進行調度
• 調度程序老是選擇時間片未用盡並且優先級最高的進程運行。
• Linux採用了兩種不一樣的優先級範圍：
  • nice值（從-20——+19）：默認值爲0；數值越大意味着優先級越低；能夠經過 ps-el查看系統進程列表並找到NI標記列對應的優先級
  • 實時優先級（從0——99）：越高的實時優先級級數意味着進程優先級越高
  • 兩者互不交互

4.3.3 時間片

• 時間片表示進程在被搶佔前所能持續運行的時間。
• 調度策略必須肯定一個默認的時間片；
• Linux的CFS調度器並無直接劃分時間片到進程，而是將處理器的使用比例劃分給了進程。也就是說，其搶佔時機取決於新的可執行程序消耗了多少處理器使用比，若是消耗的使用比比當前進程小，則新進程當即投入運行搶佔當前進程。

4.3.4 調度策略的活動

4.4 linux調度算法

4.4.1 調度器類

1. Linux調度器是以模塊方式提供的（也就是調度器類），目的是容許不一樣類型的進程能夠有針對性地選擇調度算法
2. 調度器類容許多種不一樣的可動態添加的調度算法並存，調度屬於本身範疇的進程；
3. 調度器代碼會按照優先級順序遍歷調度類，擁有一個可執行進程的最高優先級的調度器類勝出，去選擇下面要執行的那一個程序；

4.4.2 Unix系統中的進程調度

Unix使用的調度算法是分配絕對的時間片，這樣就會引起固定的切換頻率，不利於公平性。 而Linux採用的CFS徹底摒棄了時間片，分配給進程一個處理器使用比重，保證恆定的公平性和變更的切換頻率。

4.4.3 公平調度（CFS）

• CFS的出發點基於一個簡單的理念：進程調度的效果應當如同系統具有一個理想中的完美任務處理器。

• CFS的作法以下：

  • 容許每一個進程運行一段時間、循環輪轉、選擇運行最少的進程做爲下一個運行進程；
  • nice值做爲進程得到的處理器運行比的權重 即：絕對的nice值再也不影響調度決策，它們的相對值纔會影響處理器時間的分配比例——幾何加權。
  • 每一個進程都按照其權重在所有的可運行進程中所佔的比例對應的「時間片」來運行

• 目標延遲：無限小調度週期的近似值

• 最小粒度：每一個進程得到的時間片底線，默認爲1ms。
• 沒有時間片概念可是仍需維持時間記帳。

4.5 linux調度的實現

——即CFS調度算法的實現。

四個組成部分：

- 時間記帳
- 進程選擇
- 調度器入口
- 睡眠和喚醒

4.5.1 時間記帳

• 全部的調度器都必須對進程的運行時間作記帳；
• CFS使用調度器實體結構來追蹤運行記帳
• 1.調度器實體結構
  • CFS使用調度器實體結構來追蹤進程運行記帳：
• 2.虛擬實時
  • CFS使用了vruntime變量來存放進程的虛擬運行時間，用來表示進程到底運行了多少時間，以及它還應該運行多久。
  • 這個虛擬運行時間是加權的，與定時器節拍無關。
  • 虛擬運行時間以ns爲單位。 
  • 相關的函數是updatecurr()，它計算了當前進程的執行時間並存放入變量deltaexec中，而後又將運行時間傳遞給_updatecurr()；
  • _updatecurr()根據當前可運行進程總數對進行時間進行加權計算，最終將權重值與當前運行進程的vruntime值相加。 

4.5.2 進程選擇

• CFS算法核心：選擇具備最小vrntime的任務
• 具體作法：利用紅黑樹rbtree（以節點形式存儲數據的二叉樹）
• 舉例：
  • 選擇下一個任務：從根節點中序遍歷二叉樹，一直到葉子節點（也就是vrntime最小的進程）；
  • 向樹中加入進程：在進程變爲可執行狀態或者經過fork()調用第一次建立進程；
  • 從樹中刪除進程：發生在進程阻塞或者終止的時候

**Linux中，紅黑樹被稱爲rbtree，是一個自平衡二叉搜索樹，是一種以樹節點形式存儲的數據，這些數據會對應一個鍵值，能夠經過這些鍵值來快速檢索節點上的數據，並且檢索速度與整個樹的節點規模成指數比關係。 **

1. 挑選下一個任務：

   節點鍵值是可運行進程的虛擬運行時間，進程選擇算法是【運行rbtree樹種最左邊葉子節點所表明的那個進程】，函數是picknextentity() 

2. 向樹中加入進程：
   • 發生在進程被喚醒或者經過fork調用第一次建立進程時。
   • 函數enqueueentity()：更新運行時間和其餘一些統計數據，而後調用enqueueentity()。 函數enqueue_entity()：進行繁重的插入工做，把數據項真正插入到紅黑樹中： 

3. 從樹中刪除進程

   • 刪除動做發生在進程堵塞或終止時。

   • 相關函數是dequeueentity()和dequeueentity()： 

4.5.3 調度器入口

1. 進程調度的主要入口點是函數schedule()，定義在kernel/sched.c中；這正是內和其餘部分用於調度進程調度器的入口
2. 這一函數最重要的工做就是調用picknextstate()，依次檢查每個調度類，並從最高優先級的調度類中，選擇最高優先級進程

4.5.4 睡眠和喚醒

• 進程休眠必定是爲了等待一些事件
  • 進程把本身標記成休眠狀態，從可執行紅黑樹中移除；
  • 放入等待隊列——由等待某些時間發生的進程組成的鏈表，內核用wakequeuehead_t來表明等待隊列

3. 喚醒操做由函數wake_up()進行

- 它會調用函數try_to _wake_up()將進程設置爲TASK_RUNNING狀態，調用enqueue_task()將進程放入紅黑樹中
- 固然，也存在虛假喚醒進程的狀態

4.6 搶佔和上下文切換

• 上下文切換由定義在kernel/sched.c中的context_switch()函數負責，每當一個新的進程被選出來準備運行的時候，schedule()就會調用該函數：

  • 調用switch_mm()，負責把虛擬內存從上一個進程映射切換到新的進程中；
  • 調用switch_to()，負責從上一個進程的處理器狀態切換到新進程的處理器狀態

• Linux系統支持內核搶佔

  • 只要沒有鎖，內核就能夠進程搶佔；
  • 爲了支持搶佔，每一個進程的threadinfo都加入了preemptcount計數器（初值爲0，每當使用鎖的時候就加1，釋放鎖的時候數值減1），當數值爲0的時候，內核就能夠搶佔
• 內核搶佔發生在：
  • 中斷處理程序正在執行且返回內核空間以前；
  • 內核代碼再一次具備可搶佔性的時候；
  • 內核中的任務顯式地調用schedule函數

參考資料

linux內核設計與實現