《深入linux内核架构》C2 进程管理与调度

前言

         第二次阅读此书，给人的感觉是：经典的Linux内核书籍，越读越心醉。因而，不写点什么真对不住自己。

开门见山

         现代操作系统（Linux、windows）基本都能处理多项任务（多任务系统），因而，此多任务的管理和调度是内核的基本功能，第二章就围绕此主体展开。相关主题如下：

进程优先级

Linux支持实时进程和非实时进程（普通进程）。一般的进程都是普通进程，而实时进程强调希望得到系统的快速响应与处理，因而有较高的优先级。应用程序可以通过nice系统调用修改程序的优先级。

#include <unistd.h>
int nice(int inc);

进程的生命周期

         进程的生命周期大体可分为：运行、等待、睡眠等阶段，在内核中使用进程状态表示：

1. R (TASK_RUNNING)：可执行状态&运行状态(在run_queue队列里的状态);
2. S (TASK_INTERRUPTIBLE)：可中断的睡眠状态,可处理signal;
3. D (TASK_UNINTERRUPTIBLE)：不可中断的睡眠状态,可处理signal,有延迟,不能有外部信号唤醒，只能由内核亲自唤醒;
4. T (TASK_STOPPED or TASK_TRACED)：暂停状态或跟踪状态,不可处理signal,因为根本没有时间片运行代码;
5. Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)：退出状态，进程成为僵尸进程。不可被kill,　即不响应任务信号,　无法用SIGKILL杀死.

以上状态在内核中用各种宏定义（sched.h），在调试嵌入式程序时非常有用。如查看系统mysqld守护进程的状态：

其外，文章介绍了Linux的抢占式多任务处理：

        进程的两种状态选项：用户态、内核态。内核态具有无限的权利，用户态受到各种限制。用户态切换到内核态的两种方法：系统调用、中断。系统调用是应用程序有意的，中断是自动触发的。

内核抢占：紧急情况下切换到另一个进程，甚至当前是处于内核态执行系统调用（中断不能被抢占）。

进程的表示

• 内核使用tast_struck结构体表示进程（线程），内容太长，略。
• 命名空间namespace

       这里要重点提下，现阶段热门的docker等虚拟性技术大多基于Linux的命名空间（还一种技术是Control group），其为应用程序提供源生态的内核虚拟化支持。目前，内核支持6中命名空间：

UTS：UNIX timesharing system；
IPC：进程间通信；
mnt：文件系统装载；
PID：进程id管理；
user：用户管理
net：网络命名空间。

命名空间为层级关系，父空间能查看所有子空间的内容，反过来不行。

• 进程PID管理

       内核有一套完整的PID管理与分配方案，加入了PID 命名空间后，又存在全局PID和局部PID之分，此部分相当复杂，建议深入阅读分析，此处从简。

进程管理相关的系统调用

         用户态程序可以使用fork、clone、vfork等系统调用产生新的进程/线程，然后使用exec函数族进行进程替换（ELF文件，替换原有进程的各个段）。

调度器的实现

    进程的调度**有两种方式：周期性调度器和主调度器。其中，周期性调度器由系统时钟中断触发，定期扫描调度队列上是否有需要运行的程序；主调度器则采用schedule函数主动放弃当前进程的运行，使CPU选择新的进程运行。

在调度顺序上，所有可运行的进程按照时间在一个红黑树中排序，最左侧的节点等待时间最长，最先被得到调度。红黑树是内核的一种标准数据结构，读者可以在rbtree.c中查看。

       此外，内核采用模块化的设计分离调度器与调度类，调度器只负责选择下一个待运行的进程，而真正的进程管理功能由调度器类实现。内核支持两种调度器类（4.14源码中有5个调度器类）：完全公平调度类、实时调度类。不同的调度类又有不同的调度策略，如下：

调度类	描述	对应调度策略
stop_sched_class	优先级最高的线程，会中断所有其他线程，且不会被其他任务打断作用 1.发生在cpu_stop_cpu_callback 进行cpu之间任务migration 2.HOTPLUG_CPU的情况下关闭任务	……
dl_sched_class	采用EDF最早截至时间优先算法调度实时进程	……
rt_sched_class	采用提供 Roound-Robin算法或者FIFO算法调度实时进程，具体调度策略由进程的task_struct->policy指定	SCHED__RR：循环进程 SCHED_FIFO：先进先出
fair_sched_clas	采用CFS算法调度普通的非实时进程	SCHED_BATCH SCHED_NORMAL
idle_sched_class	采用CFS算法调度idle进程, 每个cup的第一个pid=0线程：swapper，是一个静态线程。调度类属于：idel_sched_class，所以在ps里面是看不到的。一般运行在开机过程和cpu异常的时候做dump	……

调度器类由sched_class表示，通过指针相互串联。如：

const struct sched_class fair_sched_class = {

         .next                            = &idle_sched_class,

应用程序可以调用：sched_getscheduler、sched_setscheduler等系统调用查看和修改进程调度方式与调度策略。

• 完全公平调度类：fair_sched_class
• 实时调度类：rt_sched_class

调度器增强

         调度器增强讲诉在SMP(Symmetrical Multi-Processing)系统上关于调度系统的扩展，它涉及CPU间的负载均衡、CPU间的进程迁移、按照调度域或控制组整体调度等。Linux系统为每个CPU创建一个内核线程用于进程迁移，如下：

一个简单的应用程序

         以下写个简单的代码，查看/修改应用程序自身的调度类与调度策略，以便对相关调度API有个大致的认识。

ULONG cvtest_Test4_Sched()
{
    INT iSched;
    INT iRet;
    struct sched_param stSched;
    memset(&stSched, 0, sizeof(stSched));
    
    iSched = sched_getscheduler(0);
    printf("Before : %d \n", iSched);

    /* set to FIFI sched, must be root */
    stSched.__sched_priority = 12;
    iRet = sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &stSched);
    if (0 != iRet)
    {
        return ERROR_FAILED;
    }
    
    iSched = sched_getscheduler(0);
    memset(&stSched, 0, sizeof(stSched));
    sched_getparam(0, &stSched);
    printf("After : %d, %d \n", iSched, stSched.__sched_priority);
    return ERROR_SUCCESS;
}

• 程序分析：

1. 程序首先通过sched_getscheduler获取自身的调度策略；
2. 之后，构建sched_param结构，通过sched_setscheduler修改自身的调度策略为FIFO（实时进程），且优先级为12；
3. 最后，再次调用sched_getscheduler查看自身的调查策略。

• 程序执行结果（需要root权限）：

相关数字（0 和 1）即表示内核中调度策略：

/* Scheduling algorithms.  */
#define SCHED_OTHER		0
#define SCHED_FIFO		1
#define SCHED_RR		2
#ifdef __USE_GNU
# define SCHED_BATCH		3
# define SCHED_IDLE		5

总结

         进程调度是OS的基础之基础，本文只是通过书本讲诉简要的描述了调度的框架，可谓冰山一角。读者若感兴趣，可以阅读内核相关源码。很多博主对此类主题也有深刻的解析，可以参阅，如：

Linux进程调度器的设计--Linux进程的管理与调度(十七）

  感谢---完。