背景

• Read the fucking source code! ?--By 魯迅

• A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

Kernel版本：4.14

ARM64處理器，Contex-A53，雙核

使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

從這篇文章開始，將開始Linux調度器的系列研究了。本文也會從一些基礎的概念及數據結構入手，先打造一個粗略的輪廓，后續的文章將逐漸深入。

2. 概念

2.1 進程

• 從教科書上，我們都能知道：進程是資源分配的最小單位，而線程是CPU調度的的最小單位。

• 進程不僅包括可執行程序的代碼段，還包括一系列的資源，比如：打開的文件、內存、CPU時間、信號量、多個執行線程流等等。而線程可以共享進程內的資源空間。

• 在Linux內核中，進程和線程都使用struct task_struct結構來進行抽象描述。

• 進程的虛擬地址空間分為用戶虛擬地址空間和內核虛擬地址空間，所有進程共享內核虛擬地址空間，沒有用戶虛擬地址空間的進程稱為內核線程。

Linux內核使用task_struct結構來抽象，該結構包含了進程的各類信息及所擁有的資源，比如進程的狀態、打開的文件、地址空間信息、信號資源等等。task_struct結構很復雜，下邊只針對與調度相關的某些字段進行介紹。

struct task_struct {/* ... *//* 進程狀態 */volatile long state;/* 調度優先級相關，策略相關 */int prio;int static_prio;int normal_prio;unsigned int rt_priority;unsigned int policy;/* 調度類，調度實體相關，任務組相關等 */const struct sched_class *sched_class;struct sched_entity se;struct sched_rt_entity rt; #ifdef CONFIG_CGROUP_SCHEDstruct task_group *sched_task_group; #endifstruct sched_dl_entity dl;/* 進程之間的關系相關 *//* Real parent process: */struct task_struct __rcu *real_parent;/* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */struct task_struct __rcu *parent;/** Children/sibling form the list of natural children:*/struct list_head children;struct list_head sibling;struct task_struct *group_leader;/* ... */ }

2.2 進程狀態

• 上圖中左側為操作系統中通俗的進程三狀態模型，右側為Linux對應的進程狀態切換。每一個標志描述了進程的當前狀態，這些狀態都是互斥的；

• Linux中的就緒態和運行態對應的都是TASK_RUNNING標志位，就緒態表示進程正處在隊列中，尚未被調度；運行態則表示進程正在CPU上運行；

內核中主要的狀態字段定義如下

/* Used in tsk->state: */ #define TASK_RUNNING 0x0000 #define TASK_INTERRUPTIBLE 0x0001 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 0x0002/* Used in tsk->exit_state: */ #define EXIT_DEAD 0x0010 #define EXIT_ZOMBIE 0x0020 #define EXIT_TRACE (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)/* Used in tsk->state again: */ #define TASK_PARKED 0x0040 #define TASK_DEAD 0x0080 #define TASK_WAKEKILL 0x0100 #define TASK_WAKING 0x0200 #define TASK_NOLOAD 0x0400 #define TASK_NEW 0x0800 #define TASK_STATE_MAX 0x1000/* Convenience macros for the sake of set_current_state: */ #define TASK_KILLABLE (TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE) #define TASK_STOPPED (TASK_WAKEKILL | __TASK_STOPPED) #define TASK_TRACED (TASK_WAKEKILL | __TASK_TRACED)#define TASK_IDLE (TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_NOLOAD)

2.3 scheduler 調度器

• 所謂調度，就是按照某種調度的算法，從進程的就緒隊列中選取進程分配CPU，主要是協調對CPU等的資源使用。進程調度的目標是最大限度利用CPU時間。

內核默認提供了5個調度器，Linux內核使用struct sched_class來對調度器進行抽象：

Stop調度器， stop_sched_class：優先級最高的調度類，可以搶占其他所有進程，不能被其他進程搶占；

Deadline調度器， dl_sched_class：使用紅黑樹，把進程按照絕對截止期限進行排序，選擇最小進程進行調度運行；

RT調度器， rt_sched_class：實時調度器，為每個優先級維護一個隊列；

CFS調度器， cfs_sched_class：完全公平調度器，采用完全公平調度算法，引入虛擬運行時間概念；

IDLE-Task調度器， idle_sched_class：空閑調度器，每個CPU都會有一個idle線程，當沒有其他進程可以調度時，調度運行idle線程；

Linux內核提供了一些調度策略供用戶程序來選擇調度器，其中Stop調度器和IDLE-Task調度器，僅由內核使用，用戶無法進行選擇：

• SCHED_DEADLINE：限期進程調度策略，使task選擇Deadline調度器來調度運行；

• SCHED_RR：實時進程調度策略，時間片輪轉，進程用完時間片后加入優先級對應運行隊列的尾部，把CPU讓給同優先級的其他進程；

• SCHED_FIFO：實時進程調度策略，先進先出調度沒有時間片，沒有更高優先級的情況下，只能等待主動讓出CPU；

• SCHED_NORMAL：普通進程調度策略，使task選擇CFS調度器來調度運行；

• SCHED_BATCH：普通進程調度策略，批量處理，使task選擇CFS調度器來調度運行；

• SCHED_IDLE：普通進程調度策略，使task以最低優先級選擇CFS調度器來調度運行；

2.4 runqueue 運行隊列

• 每個CPU都有一個運行隊列，每個調度器都作用于運行隊列；

• 分配給CPU的task，作為調度實體加入到運行隊列中；

• task首次運行時，如果可能，盡量將它加入到父task所在的運行隊列中（分配給相同的CPU，緩存affinity會更高，性能會有改善）；

Linux內核使用struct rq結構來描述運行隊列，關鍵字段如下：

/** This is the main, per-CPU runqueue data structure.** Locking rule: those places that want to lock multiple runqueues* (such as the load balancing or the thread migration code), lock* acquire operations must be ordered by ascending &runqueue.*/ struct rq {/* runqueue lock: */raw_spinlock_t lock;/** nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because* remote CPUs use both these fields when doing load calculation.*/unsigned int nr_running;/* 三個調度隊列：CFS調度，RT調度，DL調度 */struct cfs_rq cfs;struct rt_rq rt;struct dl_rq dl;/* stop指向遷移內核線程， idle指向空閑內核線程 */struct task_struct *curr, *idle, *stop;/* ... */ }

2.5 task_group 任務分組

• 利用任務分組的機制，可以設置或限制任務組對CPU的利用率，比如將某些任務限制在某個區間內，從而不去影響其他任務的執行效率；

• 引入task_group后，調度器的調度對象不僅僅是進程了，Linux內核抽象出了sched_entity/sched_rt_entity/sched_dl_entity描述調度實體，調度實體可以是進程或task_group；

• 使用數據結構struct task_group來描述任務組，任務組在每個CPU上都會維護一個CFS調度實體、CFS運行隊列，RT調度實體，RT運行隊列；

Linux內核使用struct task_group來描述任務組，關鍵的字段如下：

/* task group related information */ struct task_group {/* ... *//* 為每個CPU都分配一個CFS調度實體和CFS運行隊列 */ #ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED/* schedulable entities of this group on each cpu */struct sched_entity **se;/* runqueue "owned" by this group on each cpu */struct cfs_rq **cfs_rq;unsigned long shares; #endif/* 為每個CPU都分配一個RT調度實體和RT運行隊列 */ #ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHEDstruct sched_rt_entity **rt_se;struct rt_rq **rt_rq;struct rt_bandwidth rt_bandwidth; #endif/* task_group之間的組織關系 */struct rcu_head rcu;struct list_head list;struct task_group *parent;struct list_head siblings;struct list_head children;/* ... */ };

3. 調度程序

調度程序依靠幾個函數來完成調度工作的，下邊將介紹幾個關鍵的函數。

主動調度 - schedule()

• schedule()函數，是進程調度的核心函數，大體的流程如上圖所示。

• 核心的邏輯：選擇另外一個進程來替換掉當前運行的進程。進程的選擇是通過進程所使用的調度器中的pick_next_task函數來實現的，不同的調度器實現的方法不一樣；進程的替換是通過context_switch()來完成切換的，具體的細節后續的文章再深入分析。

周期調度 - schedule_tick()

• 時鐘中斷處理程序中，調用schedule_tick()函數；

• 時鐘中斷是調度器的脈搏，內核依靠周期性的時鐘來處理器CPU的控制權；

• 時鐘中斷處理程序，檢查當前進程的執行時間是否超額，如果超額則設置重新調度標志(_TIF_NEED_RESCHED)；

• 時鐘中斷處理函數返回時，被中斷的進程如果在用戶模式下運行，需要檢查是否有重新調度標志，設置了則調用schedule()調度；

高精度時鐘調度 - hrtick()

• 高精度時鐘調度，與周期性調度類似，不同點在于周期調度的精度為ms級別，而高精度調度的精度為ns級別；

• 高精度時鐘調度，需要有對應的硬件支持；

進程喚醒時調度 - wake_up_process()

• 喚醒進程時調用wake_up_process()函數，被喚醒的進程可能搶占當前的進程；

上述講到的幾個函數都是常用于調度時調用。此外，在創建新進程時，或是在內核搶占時，也會出現一些調度點。

本文只是粗略的介紹了一個大概，后續將針對某些模塊進行更加深入的分析，敬請期待。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux进程调度器-基础的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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