【原创】(一)Linux进程调度器-基础

背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

从这篇文章开始,将开始Linux调度器的系列研究了。
本文也会从一些基础的概念及数据结构入手,先打造一个粗略的轮廓,后续的文章将逐渐深入。

2. 概念

2.1 进程

  • 从教科书上,我们都能知道:进程是资源分配的最小单位,而线程是CPU调度的的最小单位。
  • 进程不仅包括可执行程序的代码段,还包括一系列的资源,比如:打开的文件、内存、CPU时间、信号量、多个执行线程流等等。而线程可以共享进程内的资源空间。
  • 在Linux内核中,进程和线程都使用struct task_struct结构来进行抽象描述。
  • 进程的虚拟地址空间分为用户虚拟地址空间和内核虚拟地址空间,所有进程共享内核虚拟地址空间,没有用户虚拟地址空间的进程称为内核线程。

Linux内核使用task_struct结构来抽象,该结构包含了进程的各类信息及所拥有的资源,比如进程的状态、打开的文件、地址空间信息、信号资源等等。task_struct结构很复杂,下边只针对与调度相关的某些字段进行介绍。

struct task_struct {
    /* ... */
    
    /* 进程状态 */
    volatile long           state;
    /* 调度优先级相关,策略相关 */
    int             prio;
    int             static_prio;
    int             normal_prio;
    unsigned int            rt_priority;
    unsigned int            policy;
    
    /* 调度类,调度实体相关,任务组相关等 */
    const struct sched_class    *sched_class;
    struct sched_entity     se;
    struct sched_rt_entity      rt;
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
    struct task_group       *sched_task_group;
#endif
    struct sched_dl_entity      dl;
    
    /* 进程之间的关系相关 */
        /* 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 进程状态

  • 上图中左侧为操作系统中通俗的进程三状态模型,右侧为Linux对应的进程状态切换。每一个标志描述了进程的当前状态,这些状态都是互斥的;
  • Linux中的就绪态运行态对应的都是TASK_RUNNING标志位,就绪态表示进程正处在队列中,尚未被调度;运行态则表示进程正在CPU上运行;

内核中主要的状态字段定义如下

/* 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 调度器

  • 所谓调度,就是按照某种调度的算法,从进程的就绪队列中选取进程分配CPU,主要是协调对CPU等的资源使用。进程调度的目标是最大限度利用CPU时间。

内核默认提供了5个调度器,Linux内核使用struct sched_class来对调度器进行抽象:

  1. Stop调度器, stop_sched_class: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;
  2. Deadline调度器, dl_sched_class: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;
  3. RT调度器, rt_sched_class:实时调度器,为每个优先级维护一个队列;
  4. CFS调度器, cfs_sched_class:完全公平调度器,采用完全公平调度算法,引入虚拟运行时间概念;
  5. IDLE-Task调度器, idle_sched_class:空闲调度器,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;

Linux内核提供了一些调度策略供用户程序来选择调度器,其中Stop调度器IDLE-Task调度器,仅由内核使用,用户无法进行选择:

  • SCHED_DEADLINE:限期进程调度策略,使task选择Deadline调度器来调度运行;
  • SCHED_RR:实时进程调度策略,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:实时进程调度策略,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:普通进程调度策略,使task选择CFS调度器来调度运行;
  • SCHED_BATCH:普通进程调度策略,批量处理,使task选择CFS调度器来调度运行;
  • SCHED_IDLE:普通进程调度策略,使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行;

2.4 runqueue 运行队列

  • 每个CPU都有一个运行队列,每个调度器都作用于运行队列;
  • 分配给CPU的task,作为调度实体加入到运行队列中;
  • task首次运行时,如果可能,尽量将它加入到父task所在的运行队列中(分配给相同的CPU,缓存affinity会更高,性能会有改善);

Linux内核使用struct rq结构来描述运行队列,关键字段如下:

/*
 * 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;
    /* stop指向迁移内核线程, idle指向空闲内核线程 */
    struct task_struct *curr, *idle, *stop;
    
    /* ... */
}    

2.5 task_group 任务分组

  • 利用任务分组的机制,可以设置或限制任务组对CPU的利用率,比如将某些任务限制在某个区间内,从而不去影响其他任务的执行效率;
  • 引入task_group后,调度器的调度对象不仅仅是进程了,Linux内核抽象出了sched_entity/sched_rt_entity/sched_dl_entity描述调度实体,调度实体可以是进程或task_group
  • 使用数据结构struct task_group来描述任务组,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

Linux内核使用struct task_group来描述任务组,关键的字段如下:

/* task group related information */
struct task_group {
    /* ... */
    /* 为每个CPU都分配一个CFS调度实体和CFS运行队列 */
#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
    /* 为每个CPU都分配一个RT调度实体和RT运行队列 */
#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
    struct sched_rt_entity **rt_se;
    struct rt_rq **rt_rq;
    struct rt_bandwidth rt_bandwidth;
#endif
    /* task_group之间的组织关系 */
    struct rcu_head rcu;
    struct list_head list;
    struct task_group *parent;
    struct list_head siblings;
    struct list_head children;
    /* ... */
};

3. 调度程序

调度程序依靠几个函数来完成调度工作的,下边将介绍几个关键的函数。

  1. 主动调度 – schedule()
  • schedule()函数,是进程调度的核心函数,大体的流程如上图所示。
  • 核心的逻辑:选择另外一个进程来替换掉当前运行的进程。进程的选择是通过进程所使用的调度器中的pick_next_task函数来实现的,不同的调度器实现的方法不一样;进程的替换是通过context_switch()来完成切换的,具体的细节后续的文章再深入分析。
  1. 周期调度 – schedule_tick()
  • 时钟中断处理程序中,调用schedule_tick()函数;
  • 时钟中断是调度器的脉搏,内核依靠周期性的时钟来处理器CPU的控制权;
  • 时钟中断处理程序,检查当前进程的执行时间是否超额,如果超额则设置重新调度标志(_TIF_NEED_RESCHED);
  • 时钟中断处理函数返回时,被中断的进程如果在用户模式下运行,需要检查是否有重新调度标志,设置了则调用schedule()调度;
  1. 高精度时钟调度 – hrtick()
  • 高精度时钟调度,与周期性调度类似,不同点在于周期调度的精度为ms级别,而高精度调度的精度为ns级别;
  • 高精度时钟调度,需要有对应的硬件支持;
  1. 进程唤醒时调度 – wake_up_process()
  • 唤醒进程时调用wake_up_process()函数,被唤醒的进程可能抢占当前的进程;

上述讲到的几个函数都是常用于调度时调用。此外,在创建新进程时,或是在内核抢占时,也会出现一些调度点。

本文只是粗略的介绍了一个大概,后续将针对某些模块进行更加深入的分析,敬请期待。

https://www.cnblogs.com/LoyenWang/archive/2020/02/01/12249106.html

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