Linux 进程管理之调度和进程切换

分享于2021年06月13日 linux 进程
什么是调度?按照某种调度算法,从进程的ready队列中选择进程给CPU。为什么要调度?为了最大限度的利用CPU。调度相关结构体task_struct我们先把task_struct中和调度相关的结构拎出来:struct task_struct { ......  /* *调度类。用 sched_class 对调度器进行抽象  *Stop调度器:stop_sched_class *Deadline调度器:dl_sched_class *RT调度器:rt_sched_class *CFS调度器:cfs_sched_class *IDLE-Task调度器:idle_sched_class */ const struct sched_class *sched_class; //CFS调度实体 struct sched_entity  se; //RT调度实体 struct sched_rt_entity  rt;  ......  #ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED //任务组(在每个CPU上都会维护一个CFS调度实体、CFS运行队列; RT调度实体,RT运行队列) struct task_group  *sched_task_group; #endif //DL调度实体 struct sched_dl_entity  dl;  ......  /* *进程的调度策略,有6种。 *限期进程调度策略:SCHED_DEADLINE。DL调度器 *实时进程调度策略:SCHED_FIFO,SCHED_RR。RT调度器 *普通进程调度策略:SCHED_NORMAL,SCHED_BATCH,SCHED_IDLE。CFS调度器 */ unsigned int   policy;  ......}struct sched_class 对调度器进行抽象,一共分为5类:Stop调度器:优先级最高的调度类,可以抢占其他所有进程,不能被其他进程抢占;Deadline调度器:使用红黑树,把进程按照绝对截止期限进行排序,选择最小进程进行调度运行;RT调度器:为每个优先级维护一个队列;CFS调度器:采用完全公平调度算法,引入虚拟运行时间概念;IDLE-Task调度器:每个CPU都会有一个idle线程,当没有其他进程可以调度时,调度运行idle线程;unsigned int policy 进程的调度策略有6种,用户可以调用调度器里的不同调度策略:SCHED_DEADLINE:使task选择Deadline调度器来调度运行SCHED_RR:时间片轮转,进程用完时间片后加入优先级对应运行队列的尾部,把CPU让给同优先级的其他进程;SCHED_FIFO:先进先出调度没有时间片,没有更高优先级的情况下,只能等待主动让出CPU;SCHED_NORMAL:使task选择CFS调度器来调度运行;SCHED_BATCH:批量处理,使task选择CFS调度器来调度运行;SCHED_IDLE:使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行;struct sched_entity se;采用CFS算法调度的普通非实时进程的调度实体struct sched_rt_entity rt;采用Roound-Robin或者FIFO算法调度的实时调度实体struct sched_dl_entity dl;  采用EDF算法调度的实时调度实体分配给CPU的task,作为调度实体加入到运行队列中runqueue 运行队列struct rq { ......  //三个调度队列:CFS调度,RT调度,DL调度 struct cfs_rq cfs; struct rt_rq rt; struct dl_rq dl;  ......  //idle指向空闲内核线程, stop指向迁移内核线程 struct task_struct *curr, *idle, *stop; ......}三个调度队列:struct cfs_rq cfs;  CFS调度队列struct rt_rq rt;  RT调度队列struct dl_rq dl;  DL调度队列每个CPU都有一个运行队列,每个运行队列中有三个调度队列,task作为调度实体加入到各自的调度队列中。调度流程调度的本质就是选择下一个进程来运行,调度的过程分为两步:1. 设置调度标记为CPU上正在运行的进程thread_info结构体里的flags成员设置TIF_NEED_RESCHED。那么,什么时候设置TIF_NEED_RESCHED呢 ?scheduler_tick 时钟中断wake_up_process 唤醒进程的时候do_fork 创建新进程的时候smp_send_reschedule 负载均衡的时候set_user_nice 修改进程nice值的时候以上情况下都会通过 resched_curr 来设置进程thread_info结构体里的flags成员为TIF_NEED_RESCHED。以 scheduler_tick 和 wake_up_process 为例:关于是否需要设置TIF_NEED_RESCHED的依据涉及到具体的调度算法,等我们讲到具体调度器时再详细讲。2. 执行调度kernel判断当前进程标记是否为TIF_NEED_RESCHED,是的话调用 schedule 函数切换上下文,kernel空间是可以关抢占的,user空间是无法关抢占的。抢占可分为内核态抢占和用户态抢占用户态抢占ret_to_user是系统调用,异常触发,中断处理完成后都会调用的函数。内核态抢占进程切换上下文 context_switch通过上面我们知道执行调度的时候发生在 _schedule 函数里。重点是其中的两个函数,一个是选择需要切换任务的 pick_next_task,另外一个是完成进程上下文切换 context_switch。关于选择task的策略涉及到不同的调度类,等我们讲到具体调度器的时候再展开,这里重点讲下上下文切换的函数 context_switch,进程上下文切换主要涉及到两部分主要过程:进程地址空间切换和处理器状态切换:进程的地址空间切换将下一个进程的pgd虚拟地址转化为物理地址存放在ttbr0_el1中(这是用户空间的页表基址寄存器),当访问用户空间地址的时候mmu会通过这个寄存器来做遍历页表获得物理地址。完成了这一步,也就完成了进程的地址空间切换,确切的说是进程的虚拟地址空间切换。寄存器状态切换其中x19-x28是arm64 架构规定需要调用保存的寄存器,可以看到处理器状态切换的时候将前一个进程(prev)的x19-x28,fp,sp,pc保存到了进程描述符的cpu_contex中,然后将即将执行的进程(next)描述符的cpu_contex的x19-x28,fp,sp,pc恢复到相应寄存器中,而且将next进程的进程描述符task_struct地址存放在sp_el0中,用于通过current找到当前进程,这样就完成了处理器的状态切换。- EOF -推荐阅读  点击标题可跳转1、腾讯面试题:64匹马,8赛道,找出最快的4匹最少要几次?2、为什么美国程序员工作比中国程序员工作轻松、加班少?3、两年白干!一程序员违反竞业协议赔腾讯 97 万,返还 15.8 万看完本文有收获?请分享给更多人推荐关注「Linux 爱好者」,提升Linux技能点赞和在看就是最大的支持❤️