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