Linux 进程管理之调度和进程切换

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-01-14 11:00 184阅读 0赞

什么是调度？按照某种调度算法，从进程的ready队列中选择进程给CPU。

为什么要调度？为了最大限度的利用CPU。

## 调度相关结构体 ##

### task\_struct ###

![7ced1667555a1fc99ea75233d790f2e3.png][]

我们先把task\_struct中和调度相关的结构拎出来：

struct task_struct {
     ......
     
     /*
     *调度类。用 sched_class 对调度器进行抽象 
     *Stop调度器:stop_sched_class
     *Deadline调度器:dl_sched_class
     *RT调度器:rt_sched_class
     *CFS调度器:cfs_sched_class
     *IDLE-Task调度器:idle_sched_class
     */
     const struct sched_class *sched_class;
     //CFS调度实体
     struct sched_entity  se;
     //RT调度实体
     struct sched_rt_entity  rt;
     
     ......
     
     #ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
     //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）
     struct task_group  *sched_task_group;
     #endif
     //DL调度实体
     struct sched_dl_entity  dl;
     
     ......
     
     /*
     *进程的调度策略,有6种。
     *限期进程调度策略:SCHED_DEADLINE。DL调度器
     *实时进程调度策略:SCHED_FIFO，SCHED_RR。RT调度器
     *普通进程调度策略:SCHED_NORMAL，SCHED_BATCH，SCHED_IDLE。CFS调度器
     */
     unsigned int   policy;
     
     ......
    }

*  **struct sched\_class 对调度器进行抽象，一共分为5类**：

1.  Stop调度器：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：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：为每个优先级维护一个队列；
4.  CFS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：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；

*  **unsigned int policy 进程的调度策略有6种，用户可以调用调度器里的不同调度策略：**

1.  SCHED\_DEADLINE：使task选择Deadline调度器来调度运行
2.  SCHED\_RR：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；
3.  SCHED\_FIFO：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；
4.  SCHED\_NORMAL：使task选择CFS调度器来调度运行；
5.  SCHED\_BATCH：批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行；
6.  SCHED\_IDLE：使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行；

![bed64a1c5ccef2f3e209024bd14a93e5.png][]

*  **struct sched\_entity se；采用CFS算法调度的普通非实时进程的调度实体**
 *  **struct sched\_rt\_entity rt；采用Roound-Robin或者FIFO算法调度的实时调度实体**
 *  **struct sched\_dl\_entity dl; 采用EDF算法调度的实时调度实体**

分配给CPU的task，作为调度实体加入到运行队列中

### runqueue 运行队列 ###

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

三个调度队列：

*  **struct cfs\_rq cfs; CFS调度队列**
 *  **struct rt\_rq rt; RT调度队列**
 *  **struct dl\_rq dl; DL调度队列**

每个CPU都有一个运行队列，每个运行队列中有三个调度队列，task作为调度实体加入到各自的调度队列中。

![6ee94a7d0503bc0c16e787ec8915df9b.png][]

## 调度流程 ##

调度的本质就是选择下一个进程来运行，调度的过程分为两步：

*  ### 1. 设置调度标记 ###

为CPU上正在运行的进程thread\_info结构体里的flags成员设置TIF\_NEED\_RESCHED。

那么，什么时候设置TIF\_NEED\_RESCHED呢 ？

1.  scheduler\_tick 时钟中断
2.  wake\_up\_process 唤醒进程的时候
3.  do\_fork 创建新进程的时候
4.  smp\_send\_reschedule 负载均衡的时候
5.  set\_user\_nice 修改进程nice值的时候

以上情况下都会通过 resched\_curr 来设置进程thread\_info结构体里的flags成员为TIF\_NEED\_RESCHED。以 scheduler\_tick 和 wake\_up\_process 为例：

![775bf23b6eb48e4339bd43c06a6f482c.png][]

关于是否需要设置TIF\_NEED\_RESCHED的依据涉及到具体的调度算法，等我们讲到具体调度器时再详细讲。

*  ### 2. 执行调度 ###

kernel判断当前进程标记是否为TIF\_NEED\_RESCHED，是的话**调用 schedule 函数切换上下文**，kernel空间是可以关抢占的，user空间是无法关抢占的。抢占可分为内核态抢占和用户态抢占

1.  用户态抢占

ret\_to\_user是系统调用，异常触发，中断处理完成后都会调用的函数。

![b54b36c0a8a7c52471f6884b537c81bc.png][]

1.  内核态抢占

![66b9bd6bebabf5635de00ca06a4961f1.png][]

## 进程切换上下文 context\_switch ##

通过上面我们知道执行调度的时候发生在 \_schedule 函数里。

![67a72d06331dd316e92fc1607ee47786.png][]

重点是其中的两个函数，一个是选择需要切换任务的 pick\_next\_task，另外一个是完成进程上下文切换 context\_switch。

关于选择task的策略涉及到不同的调度类，等我们讲到具体调度器的时候再展开，这里重点讲下上下文切换的函数 context\_switch，进程上下文切换主要涉及到两部分主要过程：进程地址空间切换和处理器状态切换：

![a004eae6e9e6bc58e5f45357c7ede1bb.png][]

*  **进程的地址空间切换**

![881261fd409249c452f5b8188a82692e.png][]

将下一个进程的pgd虚拟地址转化为物理地址存放在ttbr0\_el1中(这是用户空间的页表基址寄存器)，当访问用户空间地址的时候mmu会通过这个寄存器来做遍历页表获得物理地址。完成了这一步，也就完成了进程的地址空间切换，确切的说是进程的虚拟地址空间切换。

*  **寄存器状态切换**

![9d6837445885f8f62d194e8dc08242a7.png][]

其中x19-x28是arm64 架构规定需要调用保存的寄存器，可以看到处理器状态切换的时候将前一个进程（prev）的x19-x28，fp,sp,pc保存到了进程描述符的cpu\_contex中，然后将即将执行的进程(next)描述符的cpu\_contex的x19-x28，fp,sp,pc恢复到相应寄存器中，而且将next进程的进程描述符task\_struct地址存放在sp\_el0中，用于通过current找到当前进程，这样就完成了处理器的状态切换。

![虚线阴影分割线][d8cbbad4d5ad963df2ab9843919fa3a6.png]

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