Linux用户抢占和内核抢占详解概念实现和触发时机 --Linux进程的管理与调度二十）

最新推荐文章于 2023-10-09 16:09:30 发布

也是醉了醉了

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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_44925149/article/details/89599223

日期	内核版本	架构	作者	GitHub	优快云
2016-07-01	Linux-4.6	X86 & arm	gatieme	LinuxDeviceDrivers	Linux进程管理与调度

前面我们了解了linux进程调度器的设计思路和注意框架

周期调度器scheduler_tick通过linux定时器周期性的被激活, 进行程序调度

进程主动放弃CPU或者发生阻塞时, 则会调用主调度器schedule进行程序调度

在分析的过程中, 我们提到了内核抢占和用户抢占的概念, 但是并没有详细讲, 因此我们在这里详细分析一下子

CPU抢占分两种情况, 用户抢占, 内核抢占

其中内核抢占是在Linux2.5.4版本发布时加入, 同SMP(Symmetrical Multi-Processing, 对称多处理器), 作为内核的可选配置。

1 前景回顾

1.1 Linux的调度器组成

2个调度器

可以用两种方法来激活调度

一种是直接的, 比如进程打算睡眠或出于其他原因放弃CPU
另一种是通过周期性的机制, 以固定的频率运行, 不时的检测是否有必要

因此当前linux的调度程序由两个调度器组成：主调度器，周期性调度器(两者又统称为通用调度器(generic scheduler)或核心调度器(core scheduler))

并且每个调度器包括两个内容：调度框架(其实质就是两个函数框架)及调度器类

6种调度策略

linux内核目前实现了6中调度策略(即调度算法), 用于对不同类型的进程进行调度, 或者支持某些特殊的功能

SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH调度普通的非实时进程
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.

5个调度器类

而依据其调度策略的不同实现了5个调度器类, 一个调度器类可以用一种种或者多种调度策略调度某一类进程, 也可以用于特殊情况或者调度特殊功能的进程.

其所属进程的优先级顺序为

stop_sched_class -> dl_sched_class -> rt_sched_class -> fair_sched_class -> idle_sched_class
  
  
  
   
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3个调度实体

调度器不限于调度进程, 还可以调度更大的实体, 比如实现组调度.

这种一般性要求调度器不直接操作进程, 而是处理可调度实体, 因此需要一个通用的数据结构描述这个调度实体,即seched_entity结构, 其实际上就代表了一个调度对象，可以为一个进程，也可以为一个进程组.

linux中针对当前可调度的实时和非实时进程, 定义了类型为seched_entity的3个调度实体

sched_dl_entity 采用EDF算法调度的实时调度实体
sched_rt_entity 采用Roound-Robin或者FIFO算法调度的实时调度实体
sched_entity 采用CFS算法调度的普通非实时进程的调度实体

1.2 主调度器与内核/用户抢占

1.2.1 调度过程中关闭内核抢占

我们在上一篇linux内核主调度器schedule(文章链接, 优快云, Github)中在分析主调度器的时候, 我们会发现内核在进行调度之前都会通过preempt_disable关闭内核抢占, 而在完成调度工作后, 又会重新开启内核抢占

参见主调度器函数schedule

    do {        preempt_disable();                                  /*  关闭内核抢占  */        __schedule(false);                                  /*  完成调度  */        sched_preempt_enable_no_resched();                  /*  开启内核抢占  */    } while (need_resched());   /*  如果该进程被其他进程设置了TIF_NEED_RESCHED标志，则函数重新执行进行调度    */
  
  
  
   
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这个很容易理解, 我们在内核完成调度器过程中, 这时候如果发生了内核抢占, 我们的调度会被中断, 而调度却还没有完成, 这样会丢失我们调度的信息.

1.2.2 调度完成检查need_resched看是否需要重新调度

而同样我们可以看到, 在调度完成后, 内核会去判断need_resched条件, 如果这个时候为真, 内核会重新进程一次调度.

这个的原因, 我们在前一篇博客中, 也已经说的很明白了,

内核在thread_info的flag中设置了一个标识来标志进程是否需要重新调度, 即重新调度need_resched标识TIF_NEED_RESCHED, 内核在即将返回用户空间时会检查标识TIF_NEED_RESCHED标志进程是否需要重新调度，如果设置了，就会发生调度, 这被称为用户抢占

2 非抢占式和可抢占式内核

为了简化问题，我使用嵌入式实时系统uC/OS作为例子

首先要指出的是，uC/OS只有内核态，没有用户态，这和Linux不一样

多任务系统中, 内核负责管理各个任务, 或者说为每个任务分配CPU时间, 并且负责任务之间的通讯.

内核提供的基本服务是任务切换. 调度（Scheduler）,英文还有一词叫dispatcher, 也是调度的意思.

这是内核的主要职责之一, 就是要决定该轮到哪个任务运行了. 多数实时内核是基于优先级调度法的, 每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级. 基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行. 然而, 究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权, 有两种不同的情况, 这要看用的是什么类型的内核, 是不可剥夺型的还是可剥夺型内核