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Linux教学——linux内核调度详解

2022-10-26
作者:土豆居士
来源:电子技术应用专栏作家 一口Linux
关键词: Linux 内核调度

  本文档基于linux3.14 ,linux内核调度详解

  1、概述

  1.1、调度策略

  定义位于

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  SCHED_NORMAL:普通的分时进程,使用的fair_sched_class调度类

  SCHED_FIFO:先进先出的实时进程。当调用程序把CPU分配给进程的时候,它把该进程描述符保留在运行队列链表的当前位置。此调度策略的进程一旦使用CPU则一直运行。如果没有其他可运行的更高优先级实时进程,进程就继续使用CPU,想用多久就用多久,即使还有其他具有相同优先级的实时进程处于可运行状态。使用的是rt_sched_class调度类。

  SCHED_RR:时间片轮转的实时进程。当调度程序把CPU分配给进程的时候,它把该进程的描述符放在运行队列链表的末尾。这种策略保证对所有具有相同优先级的SCHED_RR实时进程进行公平分配CPU时间,使用的rt_sched_class调度类

  SCHED_BATCH:是SCHED_NORMAL的分化版本。采用分时策略,根据动态优先级,分配CPU资源。在有实时进程的时候,实时进程优先调度。但针对吞吐量优化,除了不能抢占外与常规进程一样,允许任务运行更长时间,更好使用高速缓存,适合于成批处理的工作,使用的fair_shed_class调度类

  SCHED_IDLE:优先级最低,在系统空闲时运行,使用的是idle_sched_class调度类,给0号进程使用

  SCHED_DEADLINE:新支持的实时进程调度策略,针对突发型计算,并且对延迟和完成时间敏感的任务使用,基于EDF(earliest deadline first),使用的是dl_sched_class调度类。

1.2、调度类

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  Next:指向下一个调度类,用于在函数pick_next_task、check_preempt_curr、set_rq_online、set_rq_offline用于遍历整个调度类根据调度类的优先级选择调度类。优先级为stop_sched_class->dl_sched_class->rt_sched_class->fair_sched_class->idle_sc*hed_class

  enqueue_task:将任务加入到调度类中

  dequeue_task:将任务从调度类中移除

  yield_task/ yield_to_task:主动放弃CPU

  check_preempt_curr:检查当前进程是否可被强占

  pick_next_task:从调度类中选出下一个要运行的进程

  put_prev_task:将进程放回到调度类中

  select_task_rq:为进程选择一个合适的cpu的运行队列

  migrate_task_rq:迁移到另外的cpu运行队列

  pre_schedule:调度以前调用

  post_schedule:通知调度器完成切换

  task_waking、task_woken:用于进程唤醒

  set_cpus_allowed:修改进程cpu亲和力affinity

  rq_online:启动运行队列

  rq_offline:关闭运行队列

  set_curr_task:当进程改变调度类或者进程组时被调用

  task_tick:将会引起进程切换,驱动运行running强占。由time_tick调用

  task_fork:进程创建时调用,不同调度策略的进程初始化不一样

  task_dead:进程结束时调用

  switched_from、switched_to:进程改变调度器时使用

  prio_changed:改变进程优先级

  1.3、调度触发

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  调度的触发主要有两种方式,一种是本地定时中断触发调用scheduler_tick函数,然后使用当前运行进程的调度类中的task_tick,另外一种则是主动调用schedule,不管是哪一种最终都会调用到__schedule函数,该函数调用pick_netx_task,通过rq->nr_running ==rq->cfs.h_nr_running判断出如果当前运行队列中的进程都在cfs调度器中,则直接调用cfs的调度类(内核代码里面这一判断使用了likely说明大部分情况都是满足该条件的)。如果运行队列不都在cfs中,则通过优先级stop_sched_class->dl_sched_class->rt_sched_class->fair_sched_class->idle_sched_class遍历选出下一个需要运行的进程。然后进程任务切换。

  处于TASK_RUNNING状态的进程才会被进程调度器选择,其他状态不会进入调度器。系统发生调度的时机如下:

  à调用cond_resched()时

  à显式调用schedule()时

  à从中断上下文返回时

  当内核开启抢占时,会多出几个调度时机如下:

  à在系统调用或者中断上下文中调用preemt_enable()时(多次调用系统只会在最后一次调用时会调度)

  à在中断上下文中,从中断处理函数返回到可抢占的上下文时

  1.4、__schedule的实现

  分析_schedule的实现有利于理解调度类的实体如果在

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  其中有几个重要的与调度器密切相关的函数:

  pre_scheduleà prev->sched_class->pre_schedule 在调度以前调用

  put_prev_taskàprev->sched_class->put_prev_task 将前一个进程调度以前放回调度器中

  pick_next_taskà class->pick_next_task从调度器中选出下一个需要运行的进程

  post_scheduleà rq->curr->sched_class->post_scheduleCFS中为NULL

 2、 CFS调度

  该部分代码位于linux/kernel/sched/fair.c中

  定义了const struct

  sched_classfair_sched_class,这个是CFS的调度类定义的对象。其中基本包含了CFS调度的所有实现。

  CFS实现三个调度策略:

  1> SCHED_NORMAL这个调度策略是被常规任务使用

  2> SCHED_BATCH 这个策略不像常规的任务那样频繁的抢占,以牺牲交互性为代价下,因而允许任务运行更长的时间以更好的利用缓存,这种策略适合批处理

  3> SCHED_IDLE 这是nice值甚至比19还弱,但是为了避免陷入优先级导致问题,这个问题将会死锁这个调度器,因而这不是一个真正空闲定时调度器

  CFS调度类:

  n enqueue_task(…) 当任务进入runnable状态,这个回调将把这个任务的调度实体(entity)放入红黑树并且增加nr_running变量的值

  n dequeue_task(…) 当任务不再是runnable状态,这个回调将会把这个任务的调度实体从红黑树中取出,并且减少nr_running变量的值

  n yield_task(…) 除非compat_yield sysctl是打开的,这个回调函数基本上就是一个dequeue后跟一个enqueue,这那种情况下,他将任务的调度实体放入红黑树的最右端

  n check_preempt_curr(…) 这个回调函数是检查一个任务进入runnable状态是否应该抢占当前运行的任务

  n pick_next_task(…) 这个回调函数选出下一个最合适运行的任务

  n set_curr_task(…) 当任务改变他的调度类或者改变他的任务组,将调用该回调函数

  n task_tick(…) 这个回调函数大多数是被time tick调用。他可能引起进程切换。这就驱动了运行时抢占

2.1、调度实体

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  其中几个重要的变量

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  每一个进程的task_struct中都嵌入了sched_entry对象,所以进程是可调度的实体,但是可调度的实体不一定是进程,也可能是进程组。

 2.2、CFS调度

  Tcik 中断,主要会更新调度信息,然后调整当前进程在红黑树中的位置。调整完成以后如果当前进程不再是最左边的叶子,就标记为Need_resched标志,中断返回时就会调用scheduler()完成切换、否则当前进程继续占用CPU。从这里可以看出CFS抛弃了传统时间片概念。Tick中断只需要更新红黑树。

  红黑树键值即为vruntime,该值通过调用update_curr函数进行更新。这个值为64位的变量,会一直递增,__enqueue_entity中会将vruntime作为键值将要入队的实体插入到红黑树中。__pick_first_entity会将红黑树中最左侧即vruntime最小的实体取出。

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