20135320赵瀚青LINUX第八周学习笔记
赵瀚青原创作品转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
概述
本周学习的是linux内核中的进程调度,之前我们在操作系统中有讲解进程调度的分类,以及一些调度算法。而linux中的进程调度有所不同,首先老师讲解了进程调度和进程调度的时机,所有的用户态进程都只能被调度,而内核线程可以主动调度,而进程调度的实现都是通过schedule函数,然后讲解了进程上下文所包含的信息,然后讲解了切换寄存器状态所使用的switch to函数,每一个部分都单独分析了。然后讲解了LINUX架构和执行过程。虽然在操作系统中讲解过了进程调度,但是这个讲解得更加深入,是从内核的角度讲解了调度的原理,和执行过程。
课本内容
什么是进程调度
- 进程调度:在可运行态进程之间分配有限处理器时间资源的内核子系统。
一、调度策略
4.1进程类型
I/O消耗型进程:大部分时间用来提交I/O请求或是等待I/O请求,经常处于可运行状态,但运行时间短,等待请求过程时处于阻塞状态。如交互式程序。
处理器消耗型进程:时间大都用在执行代码上,除非被抢占否则一直不停的运行。
综合型:既是I/O消耗型又是处理器消耗型。
调度策略要在:进程响应迅速(响应时间短)和最大系统利用率(高吞吐量)之间寻找平衡。
4.2 调度概念
优先级:基于进程价值和对处理器时间需求进行进程分级的调度。
时间片:表明进程被抢占前所能持续运行的时间,规定一个默认的时间片。时间片过长导致系统交互性的响应不好,
程序并行性效果差;时间片太短增大进程切换带来的处理器耗时。矛盾!
间片耗尽进程运行到期,暂时不可运行状态。直到所有进程时间片都耗尽,重新计算进程时间片。
Linux调度程序提高交互式程序优先级,提供较长时间片;实现动态调整优先级和时间片长度机制。
进程抢占:Linux系统是抢占式,始终运行优先级高的进程。
4.3 策略
- 决定调度程序在何时让进程运行。
4.3.1 I/O消耗型和处理器消耗型的进程
I/O消耗型:大多时间在提交或等待I/O请求。
处理器消耗型:大多时间在执行代码。不属于I/O驱动类型。
4.3.2 进程优先级
相同优先级按照轮转方式进行调度。
调度程序总是选择时间片未用尽且优先级高的进程运行。
4.3.3 时间片
nice值作为权重将调整进程所使用的处理器时间使用比。
I/O消耗型:不需要长的时间片。
处理器消耗型:需要越长越好的时间片。
4.3.4 调度策略的活动
文字编辑程序显然是 1/0 消耗型的,因为它大部分时间都在等待用户的键盘输入〈无论用户的输入速度有多快,都不可能赶上处理的速度λ 用户总是希望按下键系统就能马上响应。
视频编码程序是处理器消耗型的。
4.4 Linux调度算法
4.4.1 调度器类
以模块方式提供的,这样做的目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选
择调度算哉。
4.4.2 Unix系统中的进程调度
4.4.3 公平调度
CFS的做怯是允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程,而不再采用分配给每个进程时间片的做法了,在所有可运行进程总数基础上计算出一个进程应该运行多久。 - -
nice 值在 CFS 中被
作为进程获得的处理器运行比的权重:越高的nice 值(越低的优先级)进程在得更低的处理器
使用权重。
可运行进程数量趋于无穷,每个最少也能获得 lms 的运行时间。
任何进程所获得的处理器时间是由它自己和其他所有可运行进程nice 值的相对差值决定的。
4.5 Linux调度的实现
4.5.1 时间记账
所有的调度器都必须对进程运行时间做记账。
CFS 使用调度器实体结构(定义在文件<linux/sched.h>的 struct_sched _entity 中)来追踪进程运行记账。
CFS 使用 vruntime 变量来记录一个程序到底运行了多长时间以及它还应该再运行多久。
定义在kemeVsched_fair.c 文件中的 update_curr()函数实现了该记账功能。
update_ currO 计算了当前进程的执行时间,并且将其存放在变量delta_exec 中,update_ curr()是囱系统定时器周期性调用。
4.5.3 调度器入口
主要入口点是函数schedule(),它定义在文件kemel/sched.c中。
4.5.4 睡眠和唤醒
睡眠:为了等待一些事件。
内核的操作都相同 2 进程把自己标记成休眠状态,从可执行红黑树中移出,放入等待队列,然后调用 schedule()选择和执行一个其他进程。
唤醒的过程刚好相反进程被设置为可执行状态,然后再从等待队列中移到可执行红黑树中。
4.6.1 用户抢占
用户抢占在以下情况时产生:
从系统调返回用户空间时;
从中断处理程序返回用户空间时;
4.6.2 内核抢占
内核抢占会发生在:
中断处理程序正在执行,且返回内核空间之前
内核代码再一次具有可抢占性
如果内核中的任务显式地调用 schedule()
如果内核中的任务阻塞(这同样也会导敖调用 schedule()
4.7 实时调度策略
两种策略
SCHED_FIFO和 SCHED_RR
SCHED_FIFO 实现了一种简单的、先入先出的调度算怯
SCHED_RR 是带有时闹片的 SCHED_FIFO,一种实时轮流调度算挂.
4.8 与调度相关的系统调用
4.8.1 与调度策略和优先级相关的系统调用
sched_setparam()和sched__getparam()分别用于设置和获取进程的实时优先级
nice()函数会调用内核的 set_ user_ nice()函数,这个函数会设置进程的 task_struct 的 static_prio 和prio 值。
本周实验
实验内容:
理解Linux系统中进程调度的时机,可以在内核代码中搜索schedule()函数,看都是哪里调用了schedule(),判断我们课程内容中的总结是否准确;
使用gdb跟踪分析一个schedule()函数 ,验证您对Linux系统进程调度与进程切换过程的理解
实验步骤
一、使用gdb跟踪分析schedule()函数
开启qemu以及gdb
设置断点
按c继续,可以发现core.c里面调用了schedule()。
用list查看代码
单步执行发现__schedule()
继续单步执行,直到发现context_switch:
之后继续执行,可以进入context_switch()函数并发现了switch_to()和__switch_to()
linux系统的一般执行过程
- 正在运行
- 发生中断,可能陷入内核,CPU自动保存加载
- SAVE_ALL保存现场
- 调用schedule,switch_to进程上下文切换
- 标号1之后运行Y(之前有进行准备动作)
- restore_all恢复现场
- 继续运行用户态进程Y
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