http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-k24sch/index.html

楊沙洲?(pubb@163.net)國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

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簡(jiǎn)介：?本文詳盡地分析了Linux 2.4內(nèi)核中調(diào)度系統(tǒng)的工作原理，特別是i386體系結(jié)構(gòu)下SMP系統(tǒng)的調(diào)度表現(xiàn)。通過對(duì)2.4調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及其細(xì)節(jié)的分析，文章在文末指出了2.4調(diào)度系統(tǒng)在功能上、實(shí)時(shí)性上以及多處理機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)上存在的不足，為后繼的2.6系統(tǒng)的分析作鋪墊。

一． 前言

在開源操作系統(tǒng)中，Linux的發(fā)展最為顯著，到目前為止，它在低端服務(wù)器市場(chǎng)已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)大的份額。從最新的Linux 2.6系統(tǒng)來看，Linux的發(fā)展方向主要有兩個(gè)：嵌入式系統(tǒng)和高端計(jì)算領(lǐng)域。

調(diào)度系統(tǒng)對(duì)于操作系統(tǒng)的整體性能有著非常重要的影響，嵌入式系統(tǒng)、桌面系統(tǒng)和高端服務(wù)器對(duì)于調(diào)度器的要求是很不一樣的。Linux調(diào)度器的特點(diǎn)主要有兩個(gè)：

• 核心不可搶占；
• 調(diào)度算法簡(jiǎn)單有效。

由于Linux適用于多種平臺(tái)，本文所指缺省為i386下的SMP系統(tǒng)。

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二． 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在Linux中，進(jìn)程用task_struct表示，所有進(jìn)程被組織到以init_task為表頭的雙向鏈表中（見[include/linux/sched.h]SET_LINKS()宏），該鏈表是全系統(tǒng)唯一的。所有CPU被組織到以schedule_data（對(duì)界后）為元素的數(shù)組之中。進(jìn)程與所運(yùn)行的CPU之間可以相互訪問（詳見下）。

所有處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程（TASK_RUNNING）被組織到以runqueue_head為表頭的雙向鏈表之中，調(diào)度器總是從中尋找最適合調(diào)度的進(jìn)程。runqueue_head也是全系統(tǒng)唯一的。

下面分別介紹這些與調(diào)度器工作相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1． init_tss

TSS，Task State Segment，80x86平臺(tái)特有的進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境，盡管Linux并不使用TSS，但將TSS所需要描述的信息保存在以cpu號(hào)為索引的tss_struct數(shù)組init_tss中，進(jìn)程切換時(shí)，其中的值將獲得更新。

2． task_struct

在Linux中，線程、進(jìn)程使用的是相同的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以說，在2.4的內(nèi)核里只有進(jìn)程，其中包含輕量進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程在核心中使用一個(gè)task_struct結(jié)構(gòu)來表示，包含了大量描述該進(jìn)程的信息，其中與調(diào)度器相關(guān)的信息主要包括以下幾個(gè)：

i. state

Linux的進(jìn)程狀態(tài)主要分為三類：可運(yùn)行的（TASK_RUNNING，相當(dāng)于運(yùn)行態(tài)和就緒態(tài)）；被掛起的（TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE和TASK_STOPPED）；不可運(yùn)行的（TASK_ZOMBIE），調(diào)度器主要處理的是可運(yùn)行和被掛起兩種狀態(tài)下的進(jìn)程，其中TASK_STOPPED又專門用于SIGSTP等IPC信號(hào)的響應(yīng)，而TASK_ZOMBIE指的是已退出而暫時(shí)沒有被父進(jìn)程收回資源的"僵尸"進(jìn)程。

ii. need_resched

布爾值，在調(diào)度器中用于表示該進(jìn)程需要申請(qǐng)調(diào)度（詳見"調(diào)度器工作流程"）。

iii. policy

在Linux 2.4中，進(jìn)程的調(diào)度策略可以有三種選擇：SCHED_FIFO（先進(jìn)先出式調(diào)度，除非有更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程申請(qǐng)運(yùn)行，否則該進(jìn)程將保持運(yùn)行至退出才讓出CPU）、SCHED_RR（輪轉(zhuǎn)式調(diào)度，該進(jìn)程被調(diào)度下來后將被置于運(yùn)行隊(duì)列的末尾，以保證其他實(shí)時(shí)進(jìn)程有機(jī)會(huì)運(yùn)行）、SCHED_OTHER（常規(guī)的分時(shí)調(diào)度策略）。另外，policy中還包含了一個(gè)SCHED_YIELD位，置位時(shí)表示主動(dòng)放棄CPU。

iv. rt_priority

用于表征實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，從1-99取值，非實(shí)時(shí)進(jìn)程該項(xiàng)應(yīng)該為0。這一屬性將用于調(diào)度時(shí)的權(quán)值計(jì)算（詳見"就緒進(jìn)程選擇算法"）。

v. counter

該屬性記錄的是當(dāng)前時(shí)間片內(nèi)該進(jìn)程還允許運(yùn)行的時(shí)間（以CPU時(shí)鐘tick值為單位，每個(gè)進(jìn)程的counter初值與nice值有關(guān)，nice越小則counter越大，即優(yōu)先級(jí)越高的進(jìn)程所允許獲得的CPU時(shí)間也相對(duì)越多），并參與"就緒進(jìn)程選擇算法"。在Linux 2.4中，每個(gè)（非SCHED_FIFO實(shí)時(shí)）進(jìn)程都不允許運(yùn)行大于某一時(shí)間片的時(shí)間，一旦超時(shí)，調(diào)度器將強(qiáng)制選擇另一進(jìn)程運(yùn)行（詳見"調(diào)度器工作流程"）

vi. nice

用戶可支配的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，將參與"就緒進(jìn)程選擇算法"，同時(shí)該值也決定了該進(jìn)程的時(shí)間片長(zhǎng)度（詳見下）。

vii. cpus_allowed

以位向量的形式表示可用于該進(jìn)程運(yùn)行的CPU（見"調(diào)度器工作流程"）。

viii. cpus_runnable

以位向量的形式表示當(dāng)前運(yùn)行該進(jìn)程的CPU（相應(yīng)位為1）。如果不在任何CPU上運(yùn)行，則為全1。這一屬性和cpus_allowed屬性結(jié)合，可以迅速判斷該進(jìn)程是否能調(diào)度到某一CPU上運(yùn)行（位"與"）。

ix. processor

本進(jìn)程當(dāng)前（或最近）所在CPU編號(hào)。

x. thread

用于保存進(jìn)程執(zhí)行環(huán)境（各個(gè)寄存器的值以及IO操作許可權(quán)映射表），內(nèi)容與TSS相近。因?yàn)門SS以CPU id為索引，而Linux無(wú)法預(yù)測(cè)被替換下來的進(jìn)程下一次將在哪個(gè)CPU上運(yùn)行，所以這些信息不能保存在TSS中。

3． current

核心經(jīng)常需要獲知當(dāng)前在某CPU上運(yùn)行的進(jìn)程的task_struct，在Linux中用current指針指向這一描述符。current的實(shí)現(xiàn)采用了一個(gè)小技巧以獲得高效的訪問速度，這個(gè)小技巧與Linux進(jìn)程task_struct的存儲(chǔ)方式有關(guān)。

在Linux中，進(jìn)程在核心級(jí)運(yùn)行時(shí)所使用的棧不同于在用戶級(jí)所分配和使用的棧。因?yàn)檫@個(gè)棧使用率不高，因此僅在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)分配了兩個(gè)頁(yè)（8KB），并且將該進(jìn)程的task_struct安排在棧頂。（實(shí)際上這兩個(gè)頁(yè)是在分配task_struct時(shí)申請(qǐng)的，初始化完task_struct后即將esp預(yù)設(shè)為頁(yè)尾作為進(jìn)程的核心棧棧底，往task_struct方向延伸。）

因此，要訪問本進(jìn)程的task_struct，只需要執(zhí)行以下簡(jiǎn)單操作：

__asm__("andl %%esp,%0; ":"=r" (current) : "0" (~8191UL));

此句將esp與0x0ffffe0作"與"運(yùn)算，獲得核心棧的首頁(yè)基址，此即為task_struct的地址。

4． schedule_data

task_struct是用于描述進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含了指向所運(yùn)行CPU的屬性。在Linux中，另有一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于CPU，可以利用它訪問到某CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為schedule_data結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)屬性：curr指針，指向當(dāng)前運(yùn)行于該CPU上的進(jìn)程的task_struct，通常用cpu_curr(cpu)宏來訪問；last_schedule時(shí)間戳，記錄了上一次該CPU上進(jìn)程切換的時(shí)間，通常用last_schedule(cpu)宏來訪問。

為了使該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問能與CPU的Cache line大小相一致，schedule_data被組織到以SMP_CACHE_BYTES為單位的aligned_data聯(lián)合數(shù)組中，系統(tǒng)中每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)數(shù)組上的一個(gè)元素。

5． init_tasks

調(diào)度器并不直接使用init_task為表頭的進(jìn)程鏈表，而僅使用其中的"idle_task"。該進(jìn)程在引導(dǎo)完系統(tǒng)后即處于cpu_idle()循環(huán)中（詳見"其他核心應(yīng)用的調(diào)度相關(guān)部分"之"IDLE進(jìn)程"）。SMP系統(tǒng)中，每個(gè)CPU都分別對(duì)應(yīng)了一個(gè)idle_task，它們的task_struct指針被組織到init_tasks[NR_CPUS]數(shù)組中，調(diào)度器通過idle_task(cpu)宏來訪問這些"idle"進(jìn)程（詳見"調(diào)度器工作流程"）。

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6． runqueue_head

以runqueue_head為表頭的鏈表記錄了所有處于就緒態(tài)的進(jìn)程（當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程也在其中，但idle_task除外），調(diào)度器總是從中選取最適合調(diào)度的進(jìn)程投入運(yùn)行。

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三． 進(jìn)程切換過程

從一個(gè)進(jìn)程的上下文切換到另一個(gè)進(jìn)程的上下文，因?yàn)槠浒l(fā)生頻率很高，所以通常都是調(diào)度器效率高低的關(guān)鍵。在Linux中，這一功能是以一段經(jīng)典的匯編代碼實(shí)現(xiàn)的，此處就著力描述這段代碼。

這段名為switch_to()的代碼段在schedule()過程中調(diào)用，以一個(gè)宏實(shí)現(xiàn)：

/* 節(jié)選自[include/asm-i386/system.h] */ #define switch_to(prev,next,last) do { \asm volatile("pushl %%esi\n\t" \"pushl %%edi\n\t" \"pushl %%ebp\n\t" \保存esi、edi、ebp寄存器"movl %%esp,%0\n\t" \esp保存到prev->thread.esp中"movl %3,%%esp\n\t" \從next->thread.esp恢復(fù)esp"movl $1f,%1\n\t" \在prev->thread.eip中保存"1："的跳轉(zhuǎn)地址，\當(dāng)prev被再次切換到的時(shí)候?qū)哪抢镩_始執(zhí)行"pushl %4\n\t" \在棧上保存next->thread.eip，__switch_to()返回時(shí)將轉(zhuǎn)到那里執(zhí)行，\即進(jìn)入next進(jìn)程的上下文"jmp __switch_to\n" \跳轉(zhuǎn)到__switch_to()，進(jìn)一步處理(見下)"1:\t" \"popl %%ebp\n\t" \"popl %%edi\n\t" \"popl %%esi\n\t" \先恢復(fù)上次被切換走時(shí)保存的寄存器值，\再?gòu)膕witch_to()中返回。:"=m" (prev->thread.esp), \%0"=m" (prev->thread.eip),\%1"=b" (last) \ebx， \因?yàn)檫M(jìn)程切換后，恢復(fù)的棧上的prev信息不是剛被切換走的進(jìn)程描述符， \因此此處使用ebx寄存器傳遞該值給prev:"m" (next->thread.esp), \%3"m" (next->thread.eip), \%4"a" (prev), "d" (next), \eax,edx"b" (prev)); \ebx } while (0)

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進(jìn)程切換過程可以分成兩個(gè)階段，上面這段匯編代碼可以看作第一階段，它保存一些關(guān)鍵的寄存器，并在棧上設(shè)置好跳轉(zhuǎn)到新進(jìn)程的地址。第二階段在switch_to()中啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在__switch_to()函數(shù)中，主要用于保存和更新不是非常關(guān)鍵的一些寄存器（以及IO操作許可權(quán)映射表ioperm）的值：

• unlazy_fpu()，如果老進(jìn)程在task_struct的flags中設(shè)置了PF_USEDFPU位，表明它使用了FPU，unlazy_fpu()就會(huì)將FPU內(nèi)容保存在task_struct::thread中；
• 用新進(jìn)程的esp0（task_struct::thread中）更新init_tss中相應(yīng)位置的esp0；
• 在老進(jìn)程的task_struct::thread中保存當(dāng)前的fs和gs寄存器，然后從新進(jìn)程的task_struct::thread中恢復(fù)fs和gs寄存器；
• 從新進(jìn)程的task_struct::thread中恢復(fù)六個(gè)調(diào)試寄存器的值；
• 用next中的ioperm更新init_tss中的相應(yīng)內(nèi)容

switch_to()函數(shù)正常返回，棧上的返回地址是新進(jìn)程的task_struct::thread::eip，即新進(jìn)程上一次被掛起時(shí)設(shè)置的繼續(xù)運(yùn)行的位置（上一次執(zhí)行switch_to()時(shí)的標(biāo)號(hào)"1:"位置）。至此轉(zhuǎn)入新進(jìn)程的上下文中運(yùn)行。

在以前的Linux內(nèi)核中，進(jìn)程的切換使用的是far jmp指令，2.4采用如上所示的手控跳轉(zhuǎn)，所做的動(dòng)作以及所用的時(shí)間均與far jmp差不多，但更利于優(yōu)化和控制。

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四． 就緒進(jìn)程選擇算法

Linux schedule()函數(shù)將遍歷就緒隊(duì)列中的所有進(jìn)程，調(diào)用goodness()函數(shù)計(jì)算每一個(gè)進(jìn)程的權(quán)值weight，從中選擇權(quán)值最大的進(jìn)程投入運(yùn)行。

進(jìn)程調(diào)度權(quán)值的計(jì)算分為實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程兩類，對(duì)于非實(shí)時(shí)進(jìn)程（SCHED_OTHER），影響權(quán)值的因素主要有以下幾個(gè)：

1. 進(jìn)程當(dāng)前時(shí)間片內(nèi)所剩的tick數(shù)，即task_struct的counter值，相當(dāng)于counter越大的進(jìn)程獲得CPU的機(jī)會(huì)也越大，因?yàn)閏ounter的初值與（-nice）相關(guān)，因此這一因素一方面代表了進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，另一方面也代表了進(jìn)程的"欠運(yùn)行程度"；（weight = p->counter;）

2. 進(jìn)程上次運(yùn)行的CPU是否就是當(dāng)前CPU，如果是，則權(quán)值增加一個(gè)常量，表示優(yōu)先考慮不遷移CPU的調(diào)度，因?yàn)榇藭r(shí)Cache信息還有效；（weight += PROC_CHANGE_PENALTY;）

3. 此次切換是否需要切換內(nèi)存，如果不需要（或者是同一進(jìn)程的兩個(gè)線程間的切換，或者是沒有mm屬性的核心線程），則權(quán)值加1，表示（稍微）優(yōu)先考慮不切換內(nèi)存的進(jìn)程；(weight += 1;)

4. 進(jìn)程的用戶可見的優(yōu)先級(jí)nice，nice越小則權(quán)值越大。（Linux中的nice值在-20到+19之間選擇，缺省值為0，nice()系統(tǒng)調(diào)用可以用來修改優(yōu)先級(jí)。）(weight += 20 - p->nice;) 對(duì)于實(shí)時(shí)進(jìn)程（SCHED_FIFO、SCHED_RR），權(quán)值大小僅由該進(jìn)程的rt_priority值決定（weight = 1000 + p->rt_priority;），1000的基準(zhǔn)量使得實(shí)時(shí)進(jìn)程的權(quán)值比所有非實(shí)時(shí)進(jìn)程都要大，因此只要就緒隊(duì)列中存在實(shí)時(shí)進(jìn)程，調(diào)度器都將優(yōu)先滿足它的運(yùn)行需要。

如果權(quán)值相同，則選擇就緒隊(duì)列中位于前列的進(jìn)程投入運(yùn)行。

除了以上標(biāo)準(zhǔn)值以外，goodness()還可能返回-1，表示該進(jìn)程設(shè)置了SCHED_YIELD位，此時(shí)，僅當(dāng)不存在其他就緒進(jìn)程時(shí)才會(huì)選擇它。

如果遍歷所有就緒進(jìn)程后，weight值為0，表示當(dāng)前時(shí)間片已經(jīng)結(jié)束了，此時(shí)將重新計(jì)算所有進(jìn)程（不僅僅是就緒進(jìn)程）的counter值，再重新進(jìn)行就緒進(jìn)程選擇（詳見"調(diào)度器工作流程"）。

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五． 調(diào)度器

Linux的調(diào)度器主要實(shí)現(xiàn)在schedule()函數(shù)中。

1．調(diào)度器工作流程

schedule()函數(shù)的基本流程可以概括為四步：

1). 清理當(dāng)前運(yùn)行中的進(jìn)程

2). 選擇下一個(gè)投入運(yùn)行的進(jìn)程

3). 設(shè)置新進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境

4). 執(zhí)行進(jìn)程上下文切換

5). 后期整理

其中包含了一些鎖操作：就緒隊(duì)列鎖runquque_lock，全局核心鎖kernel_flag，全局中斷鎖global_irq_lock，進(jìn)程列表鎖tasklist_lock。下面先從鎖操作開始描述調(diào)度器的工作過程。

A. 相關(guān)鎖

• runqueue_lock，定義為自旋鎖，對(duì)就緒隊(duì)列進(jìn)行操作之前，必須鎖定；
• kernel_flag，定義為自旋鎖，因?yàn)楹芏嗪诵牟僮?#xff08;例如驅(qū)動(dòng)中）需要保證當(dāng)前僅由一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，所以需要調(diào)用lock_kernel()/release_kernel()對(duì)核心鎖進(jìn)行操作，它在鎖定/解鎖kernel_flag的同時(shí)還在task_struct::lock_depth上設(shè)置了標(biāo)志，lock_depth小于0表示未加鎖。當(dāng)發(fā)生進(jìn)程切換的時(shí)候，不允許被切換走的進(jìn)程握有kernel_flag鎖，所以必須調(diào)用release_kernel_lock()強(qiáng)制釋放，同時(shí)，新進(jìn)程投入運(yùn)行時(shí)如果lock_depth>0，即表明該進(jìn)程被切換走之前握有核心鎖，必須調(diào)用reacquire_kernel_lock()再次鎖定；
• global_irq_lock，定義為全局的內(nèi)存長(zhǎng)整型，使用clear_bit()/set_bit()系列進(jìn)行操作，它與global_irq_holder配合表示當(dāng)前哪個(gè)cpu握有全局中斷鎖，該鎖掛起全局范圍內(nèi)的中斷處理（見irq_enter()）；
• tasklist_lock，定義為讀寫鎖，保護(hù)以init_task為頭的進(jìn)程列表結(jié)構(gòu)。

B. prev

在schedule中，當(dāng)前進(jìn)程（也就是可能被調(diào)度走的進(jìn)程）用prev指針訪問。

對(duì)于SCHED_RR的實(shí)時(shí)進(jìn)程，僅當(dāng)該進(jìn)程時(shí)間片結(jié)束（counter==0）后才會(huì)切換到別的進(jìn)程，此時(shí)將根據(jù)nice值重置counter，并將該進(jìn)程置于就緒隊(duì)列的末尾。當(dāng)然，如果當(dāng)前就緒隊(duì)列中不存在其他實(shí)時(shí)進(jìn)程，則根據(jù)前面提到的goodness()算法，調(diào)度器仍將選擇到該進(jìn)程。

如果處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程有信號(hào)需要處理（這可能發(fā)生在進(jìn)程因等待信號(hào)而準(zhǔn)備主動(dòng)放棄CPU，在放棄CPU之前，信號(hào)已經(jīng)發(fā)生了的情況），調(diào)度器并不立即執(zhí)行該進(jìn)程，而是將該進(jìn)程置為就緒態(tài)（該進(jìn)程還未來得及從就緒隊(duì)列中刪除），參與緊接著的goodness選擇。

如果prev不處于就緒態(tài)，也不處于上面這種有信號(hào)等待處理的掛起態(tài)（prev為等待資源而主動(dòng)調(diào)用schedule()放棄CPU），那么它將從就緒隊(duì)列中刪除，此后，除非有喚醒操作將進(jìn)程重新放回到就緒隊(duì)列，否則它將不參與調(diào)度。

被動(dòng)方式啟動(dòng)調(diào)度器工作時(shí)，當(dāng)前進(jìn)程的need_resched屬性會(huì)置位（見下"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"）。在schedule()中，該位會(huì)被清掉，表示該進(jìn)程已經(jīng)在調(diào)度器中得到了處理（當(dāng)然，這一處理并不意味著該進(jìn)程就一定獲得了CPU）。

C. goodness

調(diào)度器遍歷就緒隊(duì)列中的所有進(jìn)程，只要它當(dāng)前可被調(diào)度（cpus_runnable & cpus_allowed & (1 << cpu)，表示該進(jìn)程可在當(dāng)前運(yùn)行調(diào)度器的CPU上運(yùn)行，且不在其他CPU上運(yùn)行），就調(diào)用goodness()計(jì)算其權(quán)值。next指針用來指向權(quán)值最大的進(jìn)程，缺省指向idle_task，如果就緒隊(duì)列為空，就使用缺省的idle_task作為next。

正如前面所提到的，如果遍歷結(jié)束后的最大權(quán)值為0，則表示當(dāng)前所有可被調(diào)度的就緒進(jìn)程的時(shí)間片都用完了，這時(shí)調(diào)度器將需要重新設(shè)置所有進(jìn)程（包括就緒的和掛起的）的counter值，未完成時(shí)間片的進(jìn)程（例如當(dāng)前被掛起的進(jìn)程或者當(dāng)前正在其他CPU上運(yùn)行的進(jìn)程），其剩下的時(shí)間片的一半將疊加到新的時(shí)間片中。

將選中的進(jìn)程設(shè)置為在本CPU上運(yùn)行（task_set_cpu()）之后，runqueue_lock就可以解開了，接下來就將對(duì)next進(jìn)行配置。

D. next

選取的新進(jìn)程可能剛好就是需要替換出去的老進(jìn)程，此時(shí)因?yàn)閷?shí)際上不需要進(jìn)行進(jìn)程切換，所以可以跳過配置next以及下面的"switch"和"schedule_tail"兩個(gè)階段。

新進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境實(shí)際上主要就是指內(nèi)存。在task_struct中有兩個(gè)與調(diào)度器相關(guān)的內(nèi)存屬性：mm和active_mm，前者指向進(jìn)程所擁有的內(nèi)存區(qū)域，后者則指向進(jìn)程所實(shí)際使用的內(nèi)存。對(duì)于大多數(shù)進(jìn)程，mm和active_mm是相同的，但核心線程沒有自主的內(nèi)存，它們的mm指針永遠(yuǎn)為NULL。我們知道，任何進(jìn)程的虛頁(yè)表中，核心空間永遠(yuǎn)映射到了虛存的高端固定位置，所以，核心線程所使用的內(nèi)存無(wú)論對(duì)于哪個(gè)進(jìn)程空間都是一樣的，所以也就沒有必要切換進(jìn)程的內(nèi)存。在調(diào)度器中，只要判斷一下next->mm是否為空就能知道該進(jìn)程是不是核心線程，如果是，則繼續(xù)使用prev的active_mm（next->active_mm = prev->active_mm），并通過設(shè)置cpu_tlbstate[cpu].state為TLBSTATE_LAZY，告訴內(nèi)存管理部件不要刷新TLB；否則就調(diào)用switch_mm()函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存的切換（具體過程牽涉到內(nèi)存管理模塊的知識(shí)，這里就從略了）。實(shí)際上，在switch_mm()中還會(huì)對(duì)prev->active_mm和next->mm判斷一次，如果兩值相等，說明兩個(gè)進(jìn)程是同屬于一個(gè)"進(jìn)程"的兩個(gè)"線程"（實(shí)際上是輕量進(jìn)程），此時(shí)也不需要執(zhí)行內(nèi)存的切換，但這種情況TLB還是需要刷新的。

設(shè)置好next的內(nèi)存環(huán)境以后，就可以調(diào)用mmdrop()釋放掉prev的內(nèi)存結(jié)構(gòu)了。所有不在運(yùn)行中的進(jìn)程，其active_mm屬性都應(yīng)該為空。

E. switch

進(jìn)程切換的過程在上文中已經(jīng)描述得比較詳細(xì)了。

F. schedule_tail

完成切換后，調(diào)度器將調(diào)用__schedule_tail()。這一函數(shù)對(duì)于UP系統(tǒng)基本沒什么影響，對(duì)于SMP系統(tǒng)，如果被切換下來的進(jìn)程（用p表示）仍然處于就緒態(tài)且未被任何CPU調(diào)度到，__schedule_tail()將調(diào)用reschedule_idle()，為p挑選一個(gè)空閑的（或者是所運(yùn)行的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)比p低的）CPU，并強(qiáng)迫該CPU重新調(diào)度，以便將p重新投入運(yùn)行。進(jìn)程從休眠狀態(tài)中醒來時(shí)也同樣需要挑選一個(gè)合適的CPU運(yùn)行，這一操作是通過在wake_up_process()函數(shù)中調(diào)用reschedule_idle()實(shí)現(xiàn)的。挑選CPU的原則如下：

• p上次運(yùn)行的CPU目前空閑。很顯然，這是最佳選擇，因?yàn)椴恍枰獡屨糃PU，CPU Cache也最有可能和p吻合。不過，既然p可運(yùn)行，調(diào)度器就不可能調(diào)度到idle_task，所以這種情況只會(huì)發(fā)生在wake_up_process()的時(shí)候。
• 所有空閑的CPU中最近最少活躍（last_schedule(cpu)最小）的一個(gè)。該CPU中的Cache信息最有可能是無(wú)用的，因此這種選擇方式可以盡最大可能減少搶占CPU的開銷，同時(shí)也盡可能避免頻繁搶占。值得注意的是，在使用支持超線程技術(shù)的CPU的SMP平臺(tái)上，一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)物理CPU的兩個(gè)邏輯CPU均空閑，則該CPU的其中一個(gè)邏輯CPU立即成為p候選的調(diào)度CPU，而不需要繼續(xù)尋找最近最少活躍的CPU。
• CPU不空閑，但所運(yùn)行的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)比p的優(yōu)先級(jí)低，且差值最大。計(jì)算優(yōu)先級(jí)時(shí)使用的是goodness()函數(shù)，因?yàn)樗男畔⒆疃唷?/li>

找到合適的CPU后，reschedule_idle()就會(huì)將目標(biāo)進(jìn)程（正在該CPU上運(yùn)行的進(jìn)程，可能是idle_task）的need_resched置為1，以便調(diào)度器能夠工作（見"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"）。同時(shí)，因?yàn)閕dle_task很多情況下都使cpu處于停機(jī)（halt）狀態(tài)以節(jié)電，所以有必要調(diào)用smp_send_reschedule(cpu)向cpu發(fā)RESCHEDULE_VECTOR中斷（通過IPI接口），以喚醒該cpu。

注：對(duì)于目標(biāo)進(jìn)程是idle_task的情況，還要判斷它的need_resched標(biāo)志位，僅當(dāng)它為0的時(shí)候才會(huì)啟動(dòng)調(diào)度，因?yàn)榉?狀態(tài)的idle_task本身一直都在檢查need_resched值，它自己會(huì)啟動(dòng)schedule()（見下"IDLE進(jìn)程"）。

G. clear

調(diào)度器工作的結(jié)果有兩種：發(fā)生了切換、沒有發(fā)生切換，但調(diào)度器退出前的清理工作是一樣的，就是恢復(fù)新進(jìn)程的狀態(tài)。主要包含兩個(gè)動(dòng)作：

• 清被切換走的進(jìn)程的SCHED_YIELD位（不管它是否置位）；
• 如果新進(jìn)程（p）的lock_depth大于等于0，則重新為核心鎖kernel_flag加鎖（見上"相關(guān)鎖"）。

2. 調(diào)度器工作時(shí)機(jī)

調(diào)度器的啟動(dòng)通常有兩種方式：

A. 主動(dòng)式

在核心應(yīng)用中直接調(diào)用schedule()。這通常發(fā)生在因等待核心事件而需要將進(jìn)程置于掛起（休眠）狀態(tài)的時(shí)候--這時(shí)應(yīng)該主動(dòng)請(qǐng)求調(diào)度以方便其他進(jìn)程使用CPU。下面就是一個(gè)主動(dòng)調(diào)度的例子：

/* 節(jié)選自[drivers/input/mousedev.c] mousedev_read() */add_wait_queue(&list->mousedev->wait, &wait);current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;while (!list->ready) {if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {retval = -EAGAIN;break;}if (signal_pending(current)) {retval = -ERESTARTSYS;break;}schedule();}current->state = TASK_RUNNING; /* 這一句實(shí)際上可以省略，因?yàn)檫M(jìn)程的狀態(tài)在喚醒過程中就已經(jīng)恢復(fù)到TASK_RUNNING了 */remove_wait_queue(&list->mousedev->wait, &wait);

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其過程通常可分為四步：

• 將進(jìn)程添加到事件等待隊(duì)列中；
• 置進(jìn)程狀態(tài)為TASK_INTERRUPTIBLE（或TASK_UNINTERRUPTIBLE）；
• 在循環(huán)中檢查等待條件是否滿足，不滿足則調(diào)用schedule()，滿足了就退出循環(huán)；
• 將進(jìn)程從事件等待隊(duì)列中刪除。

從"調(diào)度器工作流程"中我們知道，調(diào)度器會(huì)將處于休眠狀態(tài)的進(jìn)程從就緒隊(duì)列中刪除，而只有就緒隊(duì)列中的進(jìn)程才有可能被調(diào)度到。將該進(jìn)程重新放到就緒隊(duì)列中的動(dòng)作是在事件發(fā)生時(shí)的"喚醒"過程中完成的。在以上所示的鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)中，鼠標(biāo)中斷將調(diào)用mousedev_event()函數(shù)，該函數(shù)的最后就會(huì)使用wake_up_interruptible()喚醒等待鼠標(biāo)事件的所有進(jìn)程。wake_up_interruptible()將最終調(diào)用try_to_wake_up()函數(shù)：

/* 節(jié)選自[kernel/sched.c] */ static inline int try_to_wake_up(struct task_struct * p, int synchronous) {unsigned long flags;int success = 0;spin_lock_irqsave(&runqueue_lock, flags);p->state = TASK_RUNNING;if (task_on_runqueue(p))goto out;add_to_runqueue(p); /* 添加到就緒隊(duì)列中 */if (!synchronous || !(p->cpus_allowed & (1 << smp_processor_id())))reschedule_idle(p); /* 這種情況下調(diào)用wake_up()，synchronous總為0，此時(shí)，*//* 如果本CPU不適合運(yùn)行該進(jìn)程，則需要調(diào)用reschedule_idle()尋找合適的CPU */success = 1;out:spin_unlock_irqrestore(&runqueue_lock, flags);return success; }

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這時(shí)啟動(dòng)schedule()就是被動(dòng)的了。

B. 被動(dòng)式

在系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行結(jié)束后，控制由核心態(tài)返回到用戶態(tài)之前，Linux都將在ret_from_sys_call入口檢查當(dāng)前進(jìn)程的need_resched值，如果該值為1，則調(diào)用schedule()：

/* 節(jié)選自[arch/i386/kernel/entry.S] */ENTRY(ret_from_sys_call)clicmpl $0,need_resched(%ebx) #ebx中存放著current指針jne reschedule……reschedule:call SYMBOL_NAME(schedule) jmp ret_from_sys_call #反復(fù)查詢need_resched

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因此，只需要設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程（current）的need_resched，就有機(jī)會(huì)啟動(dòng)調(diào)度器。通常有如下幾種場(chǎng)合會(huì)設(shè)置need_resched：

• update_process_times()，由時(shí)鐘中斷觸發(fā)，負(fù)責(zé)管理除0號(hào)進(jìn)程（idle進(jìn)程）以外的其他各個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片消耗。如果當(dāng)前進(jìn)程（SCHED_FIFO實(shí)時(shí)進(jìn)程除外）的時(shí)間片用完了（counter==0），則設(shè)置need_resched為1；（注意：此時(shí)并不計(jì)算或重置counter值，這個(gè)工作在所有進(jìn)程的時(shí)間片都耗完以后在schedule()中進(jìn)行）
• reschedule_idle()，此函數(shù)的功能在"調(diào)度器工作流程"一節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)描述了，不過，最經(jīng)常的調(diào)用者是在某一事件等待隊(duì)列上休眠的進(jìn)程的喚醒過程--wake_up_process()及其他一系列wake_up函數(shù)（見上"主動(dòng)式調(diào)度"）；
• sched_setscheduler()、sched_yield()系統(tǒng)調(diào)用，以及系統(tǒng)初始化（rest_init()中）、創(chuàng)建新進(jìn)程（do_fork()中）等從語(yǔ)義上就希望啟動(dòng)調(diào)度器工作的場(chǎng)合。

由于啟動(dòng)schedule()的時(shí)機(jī)實(shí)際上由當(dāng)前進(jìn)程決定，因此設(shè)置了need_resched并不意味著就能及時(shí)調(diào)度，這也是"Linux內(nèi)核不可搶占"的原因（詳見下"Linux 2.4調(diào)度系統(tǒng)的一些問題"之"內(nèi)核不可搶占"）。

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六． 其他核心應(yīng)用的調(diào)度相關(guān)部分

系統(tǒng)中很多技術(shù)都和調(diào)度器相關(guān)，這里僅就其中幾個(gè)稍作展開，并且不涉及該技術(shù)的細(xì)節(jié)，僅就其中與調(diào)度器相關(guān)的部分進(jìn)行討論，假定讀者對(duì)于該技術(shù)有初步的了解。

1. IDLE進(jìn)程

系統(tǒng)最初的引導(dǎo)進(jìn)程（init_task）在引導(dǎo)結(jié)束后即成為cpu 0上的idle進(jìn)程。在每個(gè)cpu上都有一個(gè)idle進(jìn)程，正如上文所言，這些進(jìn)程登記在init_tasks[]數(shù)組中，并可用idle_task()宏訪問（見上"相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)"）。idle進(jìn)程不進(jìn)入就緒隊(duì)列，系統(tǒng)穩(wěn)定后，僅當(dāng)就緒隊(duì)列為空的時(shí)候idle進(jìn)程才會(huì)被調(diào)度到。

init_task的task_struct是靜態(tài)配置的，定義在[include/linux/sched.h]中的INIT_TASK()宏中，其中與調(diào)度相關(guān)的幾個(gè)屬性分別是：

• state：TASK_RUNNING；
• counter：10*HZ/100；i386上大約100ms
• nice：0；缺省的優(yōu)先級(jí)
• policy：SCHED_OTHER；非實(shí)時(shí)進(jìn)程
• cpus_runnable：-1；全1，未在任何cpu上運(yùn)行
• cpus_allowed：-1；全1，可在任何cpu上運(yùn)行

在smp_init()中（實(shí)際上是在[arch/i386/kernel/smpboot.c]中的smp_boot_cpus()中），init_task的processor屬性被設(shè)為0，對(duì)應(yīng)的schedule_data也設(shè)置好相應(yīng)的值。在創(chuàng)建了一個(gè)核心線程用于執(zhí)行init()函數(shù)之后（[/init/main.c]rest_init()），init_task設(shè)置自己的need_resched等于1，然后調(diào)用cpu_idle()進(jìn)入IDLE循環(huán)。

在cpu_idle()中，init_task的nice值被設(shè)為20（最低優(yōu)先級(jí)），counter為-100（無(wú)意義的足夠小），然后cpu_idle()進(jìn)入無(wú)限循環(huán)：

/* 節(jié)選自[arch/i386/kernel/processs.c] cpu_idle() */ while (1) {void (*idle)(void) = pm_idle;if (!idle)idle = default_idle;while (!current->need_resched)idle();schedule();check_pgt_cache(); }

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初始化過程中第一次執(zhí)行cpu_idle()，因need_resched為1，所以直接啟動(dòng)schedule()進(jìn)行第一次調(diào)度。如上文所述，schedule()會(huì)清掉need_resched位，因此，之后本循環(huán)都將執(zhí)行idle()函數(shù)，直至need_resched再被設(shè)置為非0（比如在reschedule_idle()中，見上"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"）。

idle()函數(shù)有三種實(shí)現(xiàn)可能：

• default_idle()，執(zhí)行hlt指令；
• poll_idle()，如果核心參數(shù)上定義了"idle=poll"，則pm_idle會(huì)指向poll_idle()，它將need_resched設(shè)置為特殊的-1，然后反復(fù)循環(huán)直到need_resched不等于-1。因?yàn)閜oll_idle()采用更高效的指令，所以運(yùn)行效率比default_idle()要高；
• 電源管理相關(guān)的idle過程，例如APM和ACPI模塊中定義的idle過程。

因?yàn)閮H當(dāng)就緒隊(duì)列為空的時(shí)候才會(huì)調(diào)度到idle進(jìn)程，所以，只有在系統(tǒng)完全空閑時(shí)才會(huì)執(zhí)行check_pgt_cache()操作，清理頁(yè)表緩存。

2. 進(jìn)程創(chuàng)建

系統(tǒng)中除了init_task是手工創(chuàng)建的以外，其他進(jìn)程，包括其他CPU上的idle進(jìn)程都是通過do_fork()創(chuàng)建的，所不同的是，創(chuàng)建idle進(jìn)程時(shí)使用了CLONE_PID標(biāo)志位。

在do_fork()中，新進(jìn)程的屬性設(shè)置為：

• state：TASK_UNINTERRUPTIBLE
• pid：如果設(shè)置了CLONE_PID則與父進(jìn)程相同（僅可能為0），否則為下一個(gè)合理的pid
• cpus_runnable：全1；未在任何cpu上運(yùn)行
• processor：與父進(jìn)程的processor相同；子進(jìn)程在哪里創(chuàng)建就優(yōu)先在哪里運(yùn)行
• counter：父進(jìn)程counter值加1的一半；同時(shí)父進(jìn)程自己的counter也減半，保證進(jìn)程不能通過多次fork來偷取更多的運(yùn)行時(shí)間（同樣，在子進(jìn)程結(jié)束運(yùn)行時(shí)，它的剩余時(shí)間片也將歸還給父進(jìn)程，以免父進(jìn)程因創(chuàng)建子進(jìn)程而遭受時(shí)間片的損失）
• 其他值與父進(jìn)程相同

子進(jìn)程通過SET_LINKS()鏈入進(jìn)程列表，然后調(diào)用wake_up_process()喚醒（見上"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"）。

3. smp系統(tǒng)初始化

init_task在完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化之后，在進(jìn)行硬件的初始化之前，會(huì)調(diào)用smp_init()對(duì)SMP系統(tǒng)進(jìn)行初始化。smp_init()調(diào)用smp_boot_cpus()，smp_boot_cpus()對(duì)每一個(gè)CPU都調(diào)用一次do_boot_cpu()，完成SMP其他CPU的初始化工作。

/* 節(jié)選自[arch/i386/kernel/smpboot.c] do_boot_cpu() */if (fork_by_hand() < 0) /* do_fork(CLONE_VM|CLONE_PID)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，與init_task一樣具有0號(hào)pid */panic("failed fork for CPU %d", cpu);idle = init_task.prev_task; /*在進(jìn)程列表中，新進(jìn)程總是位于init_task的左鏈prev上 */if (!idle)panic("No idle process for CPU %d", cpu);idle->processor = cpu;idle->cpus_runnable = 1 << cpu; /* 在指定CPU上運(yùn)行 */map_cpu_to_boot_apicid(cpu, apicid);idle->thread.eip = (unsigned long) start_secondary; /* 被調(diào)度到后的啟動(dòng)地址 */del_from_runqueue(idle); /* idle進(jìn)程不通過就緒隊(duì)列調(diào)度 */unhash_process(idle);init_tasks[cpu] = idle; /* 所有idle進(jìn)程都可通過init_tasks[]數(shù)組訪問 */

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該進(jìn)程被調(diào)度到時(shí)即執(zhí)行start_secondary()，最終將調(diào)用cpu_idle()，成為IDLE進(jìn)程。

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七． Linux 2.4調(diào)度系統(tǒng)的一些問題

1. 進(jìn)程時(shí)間片

2.4內(nèi)核中進(jìn)程缺省時(shí)間片是根據(jù)以下公式計(jì)算的：

/* 節(jié)選自[kernel/sched.c] */ #if HZ < 200 #define TICK_SCALE(x) ((x) >> 2) #elif HZ < 400 #define TICK_SCALE(x) ((x) >> 1) #elif HZ < 800 #define TICK_SCALE(x) (x) #elif HZ < 1600 #define TICK_SCALE(x) ((x) << 1) #else #define TICK_SCALE(x) ((x) << 2) #endif #define NICE_TO_TICKS(nice) (TICK_SCALE(20-(nice))+1) …… schedule() { …… p->counter = (p->counter >> 1) + NICE_TO_TICKS(p->nice); …… }

?

如上所述，時(shí)鐘中斷將不斷對(duì)當(dāng)前運(yùn)行的非IDLE進(jìn)程進(jìn)行時(shí)間片剩余值減1的操作，直至所有就緒隊(duì)列中的counter都減為0了，就在schedule()中對(duì)每個(gè)進(jìn)程（包括休眠進(jìn)程）利用上述公式執(zhí)行時(shí)間片的更新。其中在[include/asm-i386/param.h]中定義了HZ為100，而counter通常初值為0，nice缺省為0（nice在-20到19之間選擇），所以，i386下counter的缺省值為6，也就是大約60ms（時(shí)鐘中斷大約每10ms一次）。

同時(shí)，對(duì)于休眠的進(jìn)程而言，其參與計(jì)算的counter非0，因此實(shí)際上它的counter是在累加，構(gòu)成一個(gè)等比數(shù)列COUNTER=COUNTER/2+k，1<k<=11，其最大值趨近于2*k，也就是說，2.4系統(tǒng)中進(jìn)程的時(shí)間片不會(huì)超過230ms。

因?yàn)榫途w進(jìn)程選取算法中counter的值占很大比重（見"就緒進(jìn)程選擇算法"），因此，這種對(duì)于休眠進(jìn)程時(shí)間片疊加的做法體現(xiàn)了Linux傾向于優(yōu)先執(zhí)行休眠次數(shù)比較多，也就是IO密集（IO-bound）的進(jìn)程。

Linux設(shè)計(jì)者最初是希望因此而提高交互式進(jìn)程的響應(yīng)速度，從而方便終端用戶，但I(xiàn)O密集的進(jìn)程并不一定就是交互式進(jìn)程，例如數(shù)據(jù)庫(kù)操作需要頻繁地讀寫磁盤，從而經(jīng)常處于休眠狀態(tài)，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)通常較高，但這種應(yīng)用并不需要用戶交互，所以它反而影響了真正的交互動(dòng)作的響應(yīng)。

時(shí)間片的長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)性能影響也很大。如果太短，進(jìn)程切換就會(huì)過于頻繁，開銷很大；如果太長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)就會(huì)太慢，Linux的策略是在系統(tǒng)響應(yīng)不至于太慢的前提下讓時(shí)間片盡可能地長(zhǎng)。

2. 內(nèi)核不可搶占

從上面的分析我們可以看到，schedule()是進(jìn)行進(jìn)程切換的唯一入口，而它的運(yùn)行時(shí)機(jī)很特殊。一旦控制進(jìn)入核心態(tài)，就沒有任何辦法可以打斷它，除非自己放棄cpu。一個(gè)最典型的例子就是核心線程中如果出現(xiàn)死循環(huán)（只要循環(huán)中不調(diào)用schedule()），系統(tǒng)就會(huì)失去響應(yīng)，此時(shí)各種中斷（包括時(shí)鐘中斷）仍然在響應(yīng)，但卻不會(huì)發(fā)生調(diào)度，其他進(jìn)程（包括核心進(jìn)程）都沒有機(jī)會(huì)運(yùn)行。

下面給出的是中斷返回的代碼：

/* 節(jié)選自[arch/i386/entry.S] */ ENTRY(ret_from_intr)GET_CURRENT(%ebx) #將current指針存到ebx寄存器中備用 ret_from_exception:movl EFLAGS(%esp),%eax #取EFLAGS中的VM_MASK位判斷是否處于VM86模式movb CS(%esp),%al #取CS低兩位判斷是否處于用戶態(tài)testl $(VM_MASK | 3),%eax jne ret_from_sys_call #如果處于VM86模式或者處于用戶態(tài)，就從ret_from_sys_call入口返回， #否則直接返回jmp restore_all

?

這是此時(shí)唯一可能調(diào)用schedule()的地方（通過ret_from_sys_call，見"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"），但普通的核心線程不屬于任何一種要求的狀態(tài)，它能響應(yīng)中斷，但不能導(dǎo)致調(diào)度。

這個(gè)特點(diǎn)的表現(xiàn)之一就是，高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程無(wú)法打斷正在核內(nèi)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用（或者中斷服務(wù)）的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，這對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說是致命的，但卻簡(jiǎn)化了核心代碼。內(nèi)核中很多地方都利用了這一特點(diǎn)，能夠不做過多保護(hù)地訪問共享數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心其他進(jìn)程的打擾。

3. 實(shí)時(shí)性能

Linux 2.4通過就緒進(jìn)程選擇算法的設(shè)計(jì)區(qū)分實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程，只要有實(shí)時(shí)進(jìn)程可運(yùn)行，非實(shí)時(shí)進(jìn)程就不會(huì)獲得運(yùn)行機(jī)會(huì)。Linux又將實(shí)時(shí)進(jìn)程分為SCHED_RR和SCHED_FIFO兩類。SCHED_RR時(shí)間片結(jié)束后會(huì)發(fā)生調(diào)度，并將自己置于就緒隊(duì)列的末尾，從而給其他rt_priority相同（或更高）的實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行機(jī)會(huì)（見"調(diào)度器工作流程"），而SCHED_FIFO不會(huì)因時(shí)間片結(jié)束而放棄CPU（見"調(diào)度器工作時(shí)機(jī)"），或者出現(xiàn)更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程，或者主動(dòng)放棄CPU，否則SCHED_FIFO將運(yùn)行到進(jìn)程結(jié)束。

盡管Linux 2.4中區(qū)分了實(shí)時(shí)進(jìn)程和非實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先權(quán)，但也僅此而已。不支持核心搶占運(yùn)行的操作系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性，因?yàn)閷?shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間無(wú)法預(yù)測(cè)。有兩種辦法使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更好，一種是采用設(shè)置類似搶占調(diào)度點(diǎn)的做法，一種就是使內(nèi)核真正具備可搶占性。

即使是內(nèi)核可搶占的系統(tǒng)，也并不一定滿足實(shí)時(shí)性要求，它僅僅解決了CPU資源的訪問優(yōu)先權(quán)問題，其他資源也同樣需要"被搶占"，例如實(shí)時(shí)進(jìn)程應(yīng)該能夠從握有某個(gè)共享資源的普通進(jìn)程手中奪得它所需要的資源，它使用完后再還給普通進(jìn)程。但實(shí)際上，很多系統(tǒng)都無(wú)法做到這一點(diǎn)，Linux的調(diào)度器更是不具備這種能力。

4. 多處理機(jī)系統(tǒng)中的局限性

Linux的調(diào)度器原本是針對(duì)單處理機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，在內(nèi)核發(fā)展過程中，不斷通過補(bǔ)丁來提高多處理機(jī)系統(tǒng)（主要是SMP系統(tǒng)）的執(zhí)行效率。這種開發(fā)方式一直持續(xù)到2.4版本，因此在2.4內(nèi)核中，SMP應(yīng)用仍然有很多無(wú)法突破的障礙，例如全局共享的就緒隊(duì)列。很多研究團(tuán)體都在針對(duì)Linux調(diào)度器的多處理機(jī)擴(kuò)展性作研究，參考文獻(xiàn)中列舉了其中兩個(gè)[5][6]，但最權(quán)威的改進(jìn)還是在2.6內(nèi)核中。

對(duì)于超線程CPU，Linux調(diào)度器的支持有限，它可以區(qū)分同一物理CPU上的兩個(gè)邏輯CPU，在兩個(gè)邏輯CPU都空閑的時(shí)候，調(diào)度器可以優(yōu)先考慮將進(jìn)程調(diào)度到其中一個(gè)邏輯CPU上運(yùn)行（見"調(diào)度器工作流程"）。從原理上說，超線程CPU是存在兩個(gè)（或多個(gè)）執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的單CPU，只有兩個(gè)使用CPU不同部件（比如定點(diǎn)部件和浮點(diǎn)部件）的線程在其上運(yùn)行的時(shí)候才有正的加速，否則，由于執(zhí)行部件沖突以及Cache miss，使用超線程技術(shù)甚至?xí)硪欢ǔ潭壬系男阅軗p失。Linux 2.4的調(diào)度器并不能區(qū)分哪些進(jìn)程是"類似"的，哪些進(jìn)程會(huì)使用不同的執(zhí)行部件，因此，實(shí)際上無(wú)法恰當(dāng)使用超線程CPU。 對(duì)于其他更復(fù)雜的多處理機(jī)系統(tǒng)，例如目前高端系統(tǒng)中占統(tǒng)治地位的NUMA結(jié)構(gòu)機(jī)器，Linux在調(diào)度器上基本未作考慮。例如進(jìn)程（線程）總優(yōu)先在創(chuàng)建它的CPU上運(yùn)行（見"其他核心應(yīng)用的調(diào)度相關(guān)部分"之"進(jìn)程創(chuàng)建"），并傾向于保持在該CPU上（見"就緒進(jìn)程選擇算法"），整個(gè)CPU選擇過程沒有做任何局部性優(yōu)化。

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八． 后記

調(diào)度系統(tǒng)的表現(xiàn)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能，Linux的應(yīng)用目前主要集中在低端服務(wù)器系統(tǒng)和桌面系統(tǒng)，將來很可能向高端服務(wù)器市場(chǎng)和嵌入式系統(tǒng)發(fā)展，這就要求調(diào)度系統(tǒng)有大的改動(dòng)。在新的Linux內(nèi)核2.6版本中，調(diào)度器的改動(dòng)是最引人注目的，它一方面提供了核心可搶占的支持，另一方面又對(duì)多處理機(jī)系統(tǒng)上的表現(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化。在熟悉了2.4的調(diào)度系統(tǒng)之后，我們將分析2.6中調(diào)度器的表現(xiàn)。

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參考資料

[1][Linus Torvalds，2003]?
Linux內(nèi)核源碼v2.4.21

[2][Daniel P. Bovet, Marco Cesati，2002]?
Understanding the Linux Kernel, 2nd Edition，O'Reilly

[3][Moshe Bar，2000]?
Kernel Korner: The Linux Scheduler，Linux Journal

[4][Paul Bemowsky，2003]?
Hyper-Threading Linux，Linux World

[5][Mike Kravetz，2001]?
Enhancing Linux Scheduler Scalability，IBM Linux Tech. Center

[6][Chris King, Scott Lathrop, Steve Molloy, Paul Moore，2001]?
ELSC : Scalable Linux Scheduling on a Symmetric Multi-Processor Machine，University of Michigan

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/davidwang456/p/3592502.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux 2.4调度系统分析--转的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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