第一种分类:

  • I/O-bound:频繁进行I/O,并且需要花费很多时间等待I/O完成

  • CPU-bound:计算密集,需要大量的CPU时间进行运算

第二种分类:

  • 批处理进程:不必与用户交互,常在后台进行;不必很快响应(典型的批处理系统:编译程序、科学计算)。

  • 实时进程:有实时需求,不应被低优先级进程阻塞,响应时间短、要稳定(典型的实时进程:视频/音频、机械控制等)。

  • 交互式进程:需要经常与用户交互,因此要花很多时间等待用户输入操作,响应时间要快,平均延迟要低(典型的交互式程序:shell、文本编辑程序、图形应用程序)。

Linux中的进程调度

调度策略:是决定什么时候以怎样的方式选择一个新进程运行的规则。Linux中的调度是多种策略和调度算法的组合。

Linux既支持普通的分是进程。也支持实时进程。Linux的调度基于分时和优先级。

Linux根据进程的优先级进行排队

  • 根据特定的算法计算出进程的优先级,用一个值表示,这个值表示把进程如何适当的分配给CPU。

  • Linux中进程的优先级是动态的,调度程序会根据进程行为的周期性调整进程的优先级。(较长时间未分配到CPU的进程优先级升高,已在CPU上运行了较长时间的进程优先级下降)

内核中的调度算法相关代码使用了类似OOD中的策略模式,这些算法从实现的角度看仅仅是从运行队列中选择一个新进程,选择的过程中运用了不同的策略而已。不需要理解这种策略,对我们对于内核的理解并没有帮助。对于理解操作系统的工作机制,反而是进程的调度时机与进程的切换机制更为关键。

schedule函数

schedule函数:实现调度,在队列中自傲一个进程把CPU分配给它。

调用方法:

  • 直接调用schedule()
  • 松散调用,根据need_resched标记
进程调度的时机
  • 中断处理过程(包括时钟中断、I/O中断、系统调用和异常)中,直接调用schedule(),或者返回用户态时根据need_resched标记调用schedule()。

  • 内核线程可以直接调用schedule()进行进程切换,也可以在中断处理过程中进行调度,也就是说内核线程作为一类的特殊的进程可以主动调度,也可以被动调度(内核线程是只有内核态而没有用户态的特殊进程)。

  • 用户态进程只能被动调度,仅能通过陷入内核态后的某个时机点进行调度,即在中断处理过程中进行调度。

进程上下文切换相关代码分析

进程的切换

进程切换(任务切换、上下文切换):为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行,

挂起正在CPU上执行的进程,与中断时保存现场是不同的,中断前后是在同一个进程上下文中,只是由用户态转向内核态执行;而进程切换是在不同的进程之间进行调度。

进程上下文包含了进程执行需要的所有信息

  • 用户地址空间:包括程序代码,数据,用户堆栈等

  • 控制信息:进程描述符,内核堆栈等

  • 硬件上下文(注意中断也要保存硬件上下文只是保存的方法不同,中断:保存现场&恢复线程;进程调度:switc_to的机制)

schedule()函数实现方法

schedule()函数选择一个新的进程来运行,并调用context _ switch进行上下文的切换,这个宏调用switch _ to来进行关键上下文切换

  • next = pick _ next _ task(rq, prev);//封装了使用的某种进程调度策略,选择一个进程作为next

  • context_switch(rq, prev, next);//实现进程上下文切换

  • switch_to切换寄存器的状态和堆栈,利用两个参数:prev指向当前进程,next指向被调度的进程

  • 一般进程切换的过程

    正在运行的用户态进程X切换到运行用户态进程Y的过程:

    1. 正在运行的用户态进程X
    2. 发生中断——save cs:eip/esp/eflags(当前进程CPU的状态压入用户态进程X的内核堆栈) load cs:eipss:esp(加载中断服务例程和内核堆栈)。
    3. 进入中断处理进程,首先SAVE_ALL,保存现场
    4. 中断处理过程中或中断返回前调用了schedule(),其中的switch_to做了关键的进程上下文切换
    5. 标号1之后开始运行用户态进程Y(这里Y曾经通过以上步骤被切换出去过因此可以从标号1继续执行)
    6. restore_all 恢复进程X的执行状态
    7. iret - pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack
    8. 继续运行用户态进程Y

    几种特殊情况

    • 通过中断处理过程中的调度时机,用户态进程与内核线程之间互相切换和内核线程之间互相切换,与最一般的情况非常类似,只是内核线程运行过程中发生中断没有进程用户态和内核态的转换;

    • 内核线程主动调用schedule(),只有进程上下文的切换,没有发生中断上下文的切换,比 最一般的情况略简略;

    • 创建子进程的系统调用在子进程中的执行起点及返回用户态,如fork;

    • 加载一个新的可执行程序后返回到用户态的情况,如execve;

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