kernel开发3：CPU调度子系统

末蓝、 2022-09-10 08:14 30阅读 0赞

# CPU调度子系统 #

*  CPU调度子系统
    
     *  CPU调度系统
     *  调度系统的机制
     *  调度系统的策略
     *  参考链接

研究调度系统，主要想搞明白两个问题：CFS的调度是如何防御恶意进程的；补充进程调度的相关知识，进而为搞明白编译选项做基础。

## CPU调度系统 ##

1.  调度系统的诞生
    
     *  调度是为了给用户一个程序并行执行的错觉，让用户的使用更加友好
     *  随着用户的需求的逐渐演变，我们有了不同调度系统
2.  调度系统的两个要求（评价指标）
    
     *  不同的任务不能互相干扰
        
         *  这个是调度的基本要求，也是必须要满足的，被称为上下文切换，很考验的是内存管理部分的内容
     *  需要满足不同的调度效率和响应时间的需求，在考虑效率和时间的同时，还需要考虑调度的公平性
        
         *  调度是调度效率和响应时间的一个权衡，公平性是在地位相同的进程间考虑的，效率和时间是调度的主要评价指标
         *  如果想要调度效率最高，那么就是批处理
            
             *  这个的使用场景大多是超算一类的机器，对机器的效率有很高的要求
         *  如果想要提升响应时间但是还想要尽可能的保证效率，那么就是我们目前经常用的操作系统
            
             *  保证响应时间是为了让用户得到更好的使用体验
             *  保证效率是为了让服务器性能得到更好的发挥
         *  如果想要以响应时间为最重要的指标，那么就是实时操作系统，需要通过抢占的方式来提升实时性，保证任务及时完成
            
             *  硬实时操作系统可以保证任务在规定的时间内完成
             *  软实时操作系统只要按照任务的优先级完成就可以，不保证任务完成的时间
             *  使用的场景大多是工业机器
3.  调度系统的组成部分
    
     *  为了完成第一个要求，有一个机制来管理进程，并进行上下文切换
        
         *  机制是为了让进程可以完成上下文切换，将CPU虚拟化
         *  我们这个系列主要是完成策略
     *  为了完成第二个调度的要求，需要有一个策略模块
        
         *  策略是调度系统的灵魂

## 调度系统的机制 ##

1.  进程的分类
    
     *  根据进程的不同的要求，我们将其分为不同的种类，进而在后面的调度策略时，尽量满足不同进程的（这里和课本上讲的泾渭分明的调度策略不同，我们可以将不同的要求在同一个电脑上尽可能满足）
     *  硬实时进程
        
         *  需要在一定时间内完成的进程
     *  软实时进程
        
         *  需要快速得到结果的进程
     *  普通进程
        
         *  普通进程也有一定的优先级，比如在PC上，用来给用户以反馈的进程优先级高，计算繁重的进程优先级较低
2.  进程的生命周期
    
     *  进程的状态
        
         *  运行
            
             *  正在CPU上跑
         *  等待
            
             *  在队列里面等着放在CPU上跑
         *  睡眠
            
             *  等待外部的事件完成，进而放在等待队列，能CPU上跑
         *  终止
            
             *  进程结束，资源释放（如果资源已经释放，但是进程任然在进程表中，我们称之为僵尸进程）
     *  进程状态之间的转换
    
    \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-i58UZ1MZ-1630926102188)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210814195728.png)\]
    
     *  进程的权限
        
         *  我们经常说操作系统处于用户态和核心态，就是指在当前运行的进程时在用户态还是核心态，这两者代表了不同的权限
         *  用户态
            
             *  此时进程只能访问自身的数据，无法干扰系统中的其他应用程序，甚至也不会注意到自身之外其他程序的存在
         *  核心态
            
             *  如果进程想要访问系统数据或功能（后者管理着所有进程之间共享的资源，例如文件系统空间），则需要在核心态
         *  从用户态到核心态的切换只能通过两个方式
            
             *  系统调用
             *  中断
                
                 *  当中断来临时自动切换
                 *  中断可以是内核在运行过程中产生的，也可以是外部产生的，注意这里中断和异常在含义上不做区分
                 *  中断根据中断的来源分为硬中断（外部）和软中断（内部）
                    
                     *  硬中断是电路产生的
                     *  软中断是执行程序产生的
3.  进程的表示和机制实现
    
     *  表示（数据结构）
        
         *  数据结构task\_stuct，这个结构的[代码][Link 1]直到1366行
         *  这个数据结构包含的内容及其多，我们只能从一些主要的方面入手解读这个结构
         *  进程状态
         *  执行信息
         *  进程身份
         *  资源情况
     *  机制
        
         *  fork
            
             *  生成一个子进程
         *  exec
            
             *  加载另一个进程，来替代当前的进程，一般是和fork配合，先fork，再在子进程里面exec
         *  上下文切换

## 调度系统的策略 ##

1.  调度器基础
    
     *  在这个部分，我主要参考了\[1-4\]
     *  结构
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ghcQMQi6-1630926102197)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210814210740.png)\]
        
         *  主调度器和周期性调度器合称为通用调度器或者核心调度器，它是一个分配器，通过和调度器类交互选择进程，和调度机制交互完成上下文切换
         *  主调度器和周期性调度器都会和各个调度器类，调度机制交互
     *  调度器调度时机
        
         *  进程因为睡眠或者IO等原因主动放弃CPU。主调度器就是在这个时机来介入
         *  通过周期性机制，判断是否有必要选择进程。周期性调度器周期性运作，来保证系统不会被某个程序一直占用
         *  也就是主调度器或者周期性调度器适时介入，然后再通过调度类判断下一个执行的进程，最后通过调度器机制，完成上下文切换等一系列调度工作
     *  主调度器
        
         *  相关函数
            
             *  schedule
         *  主调度器的任务
            
             *  在内核中的许多地方，如果要将CPU分配给与当前活动进程不同的另一个进程，都会直接调用主调度器函数（schedule）。
             *  在从系统调用返回之后，内核也会检查当前进程是否设置了重调度标志TIF\_NEED\_RESCHED
         *  调度流程
            
            \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cSID3pBQ-1630926102200)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/640)\]
            
             *  相当多的工作是交给调度器类完成的
     *  周期性调度器
        
         *  相关函数
            
             *  scheduler\_tick
         *  周期性调度器的任务
            
             *  管理内核中与整个系统和各个进程的调度相关的统计量。其间执行的主要操作是对各种计数器加1
             *  激活负责当前进程的调度类的周期性调度方法。
         *  调度流程
            
            \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yu7bswRJ-1630926102204)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210815122254.png)\]
            
             *  通过函数指针，调用调度器类里面实现的task\_tick，让调度器类实现相应的工作
             *  如果当前的进程需要被调度，那么调度器类方法会在task\_struct中设置TIF\_NEED\_RESCHED标志，以表示该请求，而内核会在接下来的适当时机完成该请求，本质还是传递给主调度器完成。
     *  调度器类
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-rJoG8LwQ-1630926102208)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210814211853.png)\]
        
         *  调度器类结构
            
                struct sched_class {
                           
                
                    const struct sched_class *next; 
                
                    void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int wakeup); 
                
                    void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int sleep); 
                
                    void (*yield_task) (struct rq *rq); 
                
                    void (*check_preempt_curr) (struct rq *rq, struct task_struct *p); 
                
                    struct task_struct * (*pick_next_task) (struct rq *rq); 
                
                    void (*put_prev_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p); 
                
                    void (*set_curr_task) (struct rq *rq); 
                
                    void (*task_tick) (struct rq *rq, struct task_struct *p); 
                
                    void (*task_new) (struct rq *rq, struct task_struct *p); 
                
                };
         *  调度器类提供了通用调度器和调度策略之间的关系
         *  实时进程调度器类在最前面，然后是普通进程调度器类，最后是空闲进程调度器类
         *  调度器类在被通用调度器中的周期性调度器调用时，task\_tick是其执行的函数
         *  这里充分体现了包括了函数指针的妙用
     *  进程调度策略
        
         *  我们给每个进程一个调度策略，表明我们希望如何调度这个进程，以在一个系统内，满足不同的要求
            
            \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0BM8FUnj-1630926102210)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210814212256.png)\]
         *  SCHED\_NORMAL调度普通进程，这也是我们日常使用最多的进程
         *  SCHED\_BATCH调度批处理进程
         *  SCHED\_FIFO和SCHED\_RR和SCHED\_DEADLINE则采用不同的调度策略调度实时进程,
         *  SCHED\_IDLE则在系统空闲时调用idle进程
         *  不同的调度进程
     *  调度实体
        
         *  调度器不限于调度进程，还可以调度更大的实体。CPU时间一般用于组调度，首先在进程组之间分配，然在组内分配。
            
                struct sched_entity {
                           
                
                    struct load_weight load; /* 用于负载均衡 */ 
                
                    struct rb_node run_node; 
                
                    unsigned int on_rq; 
                
                    u64 exec_start; 
                
                    u64 sum_exec_runtime; 
                
                    u64 vruntime; 
                
                    u64 prev_sum_exec_runtime; 
                
                ... 
                
                }
     *  调度优先级
        
         *  优先级的计算
            
             *  虚拟时间
         *  优先级的实现
            
             *  主调度器
             *  周期性调度器
2.  CFS调度类
    
     *  这一小节的内容主要参考了\[1-3\]，由于之后并不会用到这里的内容，这里用\[3\]中的几个流程图来描述这一小节的内容
     *  首先来看调度类是如何实现的
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xPvKblzC-1630926102215)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210815115808.png)\]
     *  然后看解决出队和入队的流程
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CbIJZp7L-1630926102217)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210815120144.png)\]
     *  接着看如何挑选下一个进程
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Tj7uHhd8-1630926102219)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210815120558.png)\]
     *  任务创建
        
        \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mweVCFZz-1630926102221)(https://raw.githubusercontent.com/Richardhongyu/pic/main/20210815120620.png)\]
3.  实时调度类
    
     *  和优化CPU统计时间的主题关系不是太大，这里先略过

## 参考链接 ##

\[1\] https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51699889

\[2\] 《深入理解Linux架构》

\[3\] https://mp.weixin.qq.com/s/6as3ZB5s-H9jKtxAorGIfg

\[4\] https://mp.weixin.qq.com/s/BOmuGLb1iQ57lO\_nnAn2xA

[Link 1]: https://elixir.bootlin.com/linux/v5.10/source/include/linux/sched.h#L640