如何选择和切换下一个进程 —— Linux进程调度原理与代码全解

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如何选择和切换下一个进程 —— Linux进程调度原理与代码全解

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目录

1. 进程调度的基础概念
2. 进程、线程、任务结构体的关系梳理
3. sched_entity：调度的核心粒度
4. 进程选择（挑选下一个进程）的核心逻辑
5. schedule() 函数源码流程解析
6. 进程切换的全过程
7. 调度器的主流算法（以CFS为例）
8. 内核抢占与调度点
9. 重要结构体/函数剖析
10. 实战调试与打印技巧
11. 常见场景与误区
12. 小结与延伸阅读

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1. 进程调度的基础概念

操作系统的本质就是“在有限的CPU资源下，合理高效地运行多个进程/线程”。而调度器（scheduler）就是操作系统内核中，负责决定“哪个进程/线程上CPU、何时切换、怎样切换”的关键机制。

调度包括两个核心问题：

• 选择（Select）：在众多可运行的进程中，挑选一个最合适的“下一个”。
• 切换（Switch）：完成从当前进程到下一个进程的上下文切换。

Linux 内核通过一整套高效的数据结构、调度算法，以及软硬件协同手段，实现了公平、实时、低延迟的多任务调度。

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2. 进程、线程、任务结构体的关系梳理

2.1 任务的本质：task_struct

Linux中，“进程/线程”统一用task_struct结构体表示。每个正在运行或可运行的进程（线程）都有一个唯一的task_struct实例。

核心内容包括：

• 进程ID（PID）、状态
• 进程优先级、调度策略
• 进程地址空间、文件描述符表
• 调度实体（sched_entity）（重点）

2.2 调度实体 sched_entity

sched_entity 结构体不是独立存在的，而是作为 task_struct 的成员。其设计是为了支撑“调度算法”的实现。

• 一个 task_struct 一定包含一个 sched_entity
• sched_entity 记录了与调度相关的权重、vruntime、执行时长等信息
• 多线程（如CFS调度组）时，group也用sched_entity，体现层级关系

简化结构：

struct task_struct {
    ...
    struct sched_entity se;
    ...
};

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3. sched_entity：调度的核心粒度

sched_entity 承载着调度算法的“可公平比对”信息。以CFS为例，每个进程都对应一个sched_entity，它被组织在红黑树（rb_tree）中。

关键成员：

• vruntime：当前实体的虚拟运行时间（衡量公平性的核心）
• exec_start、sum_exec_runtime：累积的执行时间
• load_weight：权重，影响进程被选中的频率
• run_node：红黑树节点

作用：

• 让调度器用统一、抽象的“实体”来比较、排序、挑选任务
• 屏蔽了task_struct中与调度无关的内容

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4. 进程选择（挑选下一个进程）的核心逻辑

4.1 选择下一个进程，实际上是选下一个sched_entity

以CFS调度器为例，所有处于TASK_RUNNING状态的进程，其sched_entity会被插入红黑树中。
调度器每次调度时，都会：

1. 在红黑树上寻找vruntime最小的sched_entity
2. 找到后，定位其对应的task_struct（即要切换的进程）

流程简述：

• 红黑树排序，最“公平”（vruntime最少）的排最左
• 选中最左侧节点，对应进程“被调度上CPU”

4.2 pick_next_task() 的作用

• pick_next_task() 就是实现“挑选下一个进程”的主力函数

• 典型代码（位于kernel/sched/fair.c）：

  static struct task_struct *pick_next_task_fair(struct rq *rq) {
      struct sched_entity *se = pick_next_entity(cfs_rq);
      // se对应的task_struct就是要切换的进程
      return task_of(se);
  }
  

• 多调度器共存（CFS/RT/Deadline），由sched_class多态分发

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5. schedule() 函数源码流程解析

schedule()是调度器的核心入口函数，位于 kernel/sched/core.c，每当需要进行调度时都会调用。

精简流程如下：

1. 关闭抢占（preempt_disable），保证调度期间不会被再次抢占
2. 调用__schedule()，进入调度主循环
3. __schedule()里会遍历调度类，执行pick_next_task()选择下一个进程
4. 若当前与下一个进程不同，则调用context_switch()完成上下文切换
5. 恢复抢占（preempt_enable）

源码片段简析：

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
    preempt_disable();
    __schedule(SM_NONE);
    preempt_enable();
}

__schedule()里核心就是pick_next_task() + context_switch()。

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6. 进程切换的全过程

进程切换（Context Switch）并不是一行代码就能搞定，而是一个完整的CPU资源归还与重分配过程：

1. 保存当前进程的上下文（CPU寄存器、栈指针、PC等）
2. 更新当前task_struct的状态
3. 切换到下一个task_struct（切换页表、切换栈等）
4. 恢复下一个进程的上下文
5. CPU开始执行新进程

Linux通过switch_to(prev, next, last)完成底层切换，底层多是汇编代码。
整个切换过程由schedule() -> __schedule() -> context_switch() -> switch_to()贯穿实现。

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7. 调度器的主流算法（以CFS为例）

CFS（Completely Fair Scheduler）完全公平调度器：

• 以vruntime为核心公平度指标
• 所有进程调度实体组织成红黑树
• 每次调度挑选vruntime最小的进程（最“亏”的进程）
• 保证所有进程“获得CPU时间总量大致公平”
• 权重影响vruntime增速，优先级高的进程“变慢”

常见调度类：

• CFS（普通进程）
• RT（实时进程）
• DEADLINE（实时调度）

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8. 内核抢占与调度点

内核抢占（Preemption）：

• 在关键信号量、锁保护区域，或关中断期间禁止抢占，保证数据一致性
• preempt_disable()/preempt_enable()手动控制临界区
• 通常在do_exit()、sys_fork()、定时器中断、I/O中断等“调度点”主动触发调度

调度点（Schedule Point）：

• 某些内核API、系统调用、内核定时器、用户主动让出CPU（如sched_yield()）都会触发调度

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9. 重要结构体/函数剖析

9.1 task_struct

进程/线程的描述符，贯穿生命周期的核心对象。包含进程状态、调度信息、资源占用等几乎所有重要属性。

9.2 sched_entity

调度算法核心的数据结构。承担公平度计算、优先级、累计运行时间等功能，是调度粒度的具体化。

9.3 pick_next_task()

选择下一个task_struct，分调度器多态分发（CFS、RT、Deadline）。

9.4 context_switch()

负责底层上下文切换，最终实现CPU寄存器、内核栈、页表切换。

9.5 need_resched()

判断当前是否需要调度（被抢占、主动让出等）

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10. 实战调试与打印技巧

10.1 打印调度流程

• 在schedule()、pick_next_task()、context_switch()等关键位置增加pr_info打印：

  pr_info("[SCHED] schedule(): cpu=%d, prev=%s, next=%s\n",
      smp_processor_id(), prev->comm, next->comm);
  

• 打印vruntime、PID等，观察调度公平性

10.2 跟踪fork和进程切换

• 在kernel_clone/copy_process中添加打印，记录父子进程、栈地址等：

  pr_info("[FORK] Parent: %s(%d), Child: %s(%d)\n",
      current->comm, current->pid, child->comm, child->pid);
  

10.3 使用 ftrace/perf/strace 追踪调度

• ftrace支持调度事件（sched_switch、sched_wakeup等），可用来分析调度行为

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11. 常见场景与误区

• “用户进程和内核进程切换”：本质都是task_struct，调度器只关心“可运行的任务”，不区分“用户/内核进程”。
• “为什么需要 sched_entity？”：用于抽象和统一调度算法，支撑多层级（如调度组）。
• “能否只靠task_struct做调度？”：task_struct包含太多与调度无关信息，不便于算法抽象和性能优化。
• “选定sched_entity是否等价于选定进程？”：完全等价，sched_entity和task_struct是一一对应的。
• “抢占期间调度安全吗？”：必须通过preempt_disable/enable保证临界区调度安全，防止数据竞争。

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12. 小结与延伸阅读

12.1 小结

• 进程调度的实质：选中下一个sched_entity，其对应的task_struct被切换到CPU
• 关键路径：schedule() → pick_next_task() → context_switch()
• 核心结构体：task_struct、sched_entity
• 调度算法：CFS红黑树公平调度，RT、Deadline等多调度类协作
• 调试利器：pr_info打印、ftrace、perf、源码instrument
• 常见误区：调度只认“可运行的任务”，task_struct与sched_entity一一对应

12.2 延伸阅读与建议

• 推荐阅读Linux内核源码kernel/sched/core.c、kernel/sched/fair.c
• 结合实际硬件场景，动手在开发板/虚拟机上实验、打印、调试
• 推荐书籍：《Linux内核设计与实现》《深入理解Linux内核》《Yocto项目实战教程：高效定制嵌入式Linux系统》

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