調(diào)度程序是內(nèi)核的組成部分，它負(fù)責(zé)選擇下一個(gè)要運(yùn)行的進(jìn)程。進(jìn)程調(diào)度程序可看作在可運(yùn)行態(tài)進(jìn)程之間分配有限的處理器時(shí)間資源的內(nèi)核子系統(tǒng)。

多任務(wù)操作系統(tǒng)就是能夠同時(shí)并發(fā)的交互執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程的操作系統(tǒng)。多任務(wù)系統(tǒng)可以劃分為兩類：搶占式和非搶占式。Linux提供了搶占式的多任務(wù)模式。在此

模式下，由調(diào)度程序來決定什么時(shí)候停止一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行以便其他進(jìn)程能夠得到執(zhí)行機(jī)會(huì)。這個(gè)強(qiáng)制的掛起動(dòng)作叫做搶占。進(jìn)程在被搶占之前能夠運(yùn)行的時(shí)間是預(yù)先

設(shè)置好的，而且有一個(gè)專門的名字，叫進(jìn)程的時(shí)間片。時(shí)間片實(shí)際上就是分配給每個(gè)可運(yùn)行進(jìn)程的處理器時(shí)間段。

4.1 策略

4.1.1 進(jìn)程優(yōu)先級(jí)

進(jìn)程可以分為I/O消耗型和處理器消耗型。調(diào)度算法中最基本的一類就是基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度。這是一種根據(jù)進(jìn)程的價(jià)值和其對(duì)處理器時(shí)間的需求來對(duì)進(jìn)程分級(jí)的想

法。在Linux系統(tǒng)中，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程使用的時(shí)間片也較長(zhǎng)。調(diào)度程序總是選擇時(shí)間片未用盡而且優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程運(yùn)行。用戶和系統(tǒng)都可以通過設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先

級(jí)來影響系統(tǒng)的調(diào)度。

Linux內(nèi)核提供了兩組獨(dú)立的優(yōu)先級(jí)范圍。第一種是nice值，范圍 -20~19，默認(rèn)是0。值越大，優(yōu)先級(jí)越低，時(shí)間片越短。第二個(gè)范圍是實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，其值可配置，變化范圍：0~99。

4.2 可執(zhí)行隊(duì)列(運(yùn)行隊(duì)列)

當(dāng)內(nèi)核要尋找一個(gè)新的進(jìn)程在CPU上運(yùn)行時(shí)，必須只考慮處于可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程，(即在TASK_RUNNING狀態(tài)的進(jìn)程)，因?yàn)閽呙枵麄€(gè)進(jìn)程鏈表是相當(dāng)?shù)托У?#xff0c;所以引入了處于可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程的雙向循環(huán)鏈表，也叫運(yùn)行隊(duì)列(runqueue)。

運(yùn)行隊(duì)列容納了系統(tǒng)中所有可以運(yùn)行的進(jìn)程，它是一個(gè)雙向循環(huán)隊(duì)列，該隊(duì)列通過task_struct結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)指針run_list(Pointers to the next and previous elements in the runqueue list to which the process belongs)鏈表來維持。隊(duì)列的標(biāo)志有兩個(gè)：一個(gè)是“空進(jìn)程”idle_task、一個(gè)是隊(duì)列的長(zhǎng)度。

有兩個(gè)特殊的進(jìn)程永遠(yuǎn)在運(yùn)行隊(duì)列中待著：當(dāng)前進(jìn)程和空進(jìn)程。前面我們討論過，當(dāng)前進(jìn)程就是由cureent指針?biāo)赶虻倪M(jìn)程，也就是當(dāng)前運(yùn)行著的進(jìn)程，但是請(qǐng)注意，current指針在調(diào)度過程中(調(diào)度程序執(zhí)行時(shí))是沒有意義的；空進(jìn)程是個(gè)比較特殊的進(jìn)程，只有系統(tǒng)中沒有進(jìn)程可運(yùn)行時(shí)它才會(huì)被執(zhí)行，Linux將它看作運(yùn)行隊(duì)列的頭，當(dāng)調(diào)度程序遍歷運(yùn)行隊(duì)列，是從idle_task開始、至idle_task結(jié)束的，在調(diào)度程序運(yùn)行過程中，允許隊(duì)列中加入新出現(xiàn)的可運(yùn)行進(jìn)程，新出現(xiàn)的可運(yùn)行進(jìn)程插入到隊(duì)尾，這樣的好處是不會(huì)影響到調(diào)度程序所要遍歷的隊(duì)列成員，可見，idle_task是運(yùn)行隊(duì)列很重要的標(biāo)志。

另一個(gè)重要標(biāo)志是隊(duì)列長(zhǎng)度，也就是系統(tǒng)中處于可運(yùn)行狀態(tài)(TASK_RUNNING)的進(jìn)程數(shù)目，用全局整型變量nr_running表示，在/kernel/fork.c中定義如下：

int nr_running=1；

若nr_running為0，就表示隊(duì)列中只有空進(jìn)程。在這里要說明一下：若nr_running為0，則系統(tǒng)中的當(dāng)前進(jìn)程和空進(jìn)程就是同一個(gè)進(jìn)程。但是Linux會(huì)充分利用CPU而盡量避免出現(xiàn)這種情況。

由于可執(zhí)行隊(duì)列是調(diào)度程序的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，所以有一組宏定義用于獲取與“給定處理器或進(jìn)程”相關(guān)的可執(zhí)行隊(duì)列。cpu_rq(processor)宏用于返回給定處理器可執(zhí)行隊(duì)列的指針。this_rq()宏用來返回當(dāng)前處理器的可執(zhí)行隊(duì)列。宏task_rq(task)返回給定任務(wù)所在的隊(duì)列指針。

在

對(duì)可執(zhí)行隊(duì)列進(jìn)行操作以前，應(yīng)該先鎖住它。因?yàn)槊總€(gè)可執(zhí)行隊(duì)列唯一的對(duì)應(yīng)一個(gè)處理器。在其擁有者讀取或者改寫隊(duì)列成員的時(shí)候，可執(zhí)行隊(duì)列包含的鎖用來防止

隊(duì)列被其它代碼改動(dòng)。鎖住運(yùn)行隊(duì)列最常見的情況發(fā)生在你想鎖住的運(yùn)行隊(duì)列上恰巧有一個(gè)特定的任務(wù)在運(yùn)行。此時(shí)需要用到task_rq_lock()和

task_rq_unlock()函數(shù)：

struct runqueue *rq;

unsigned long flags;

rq = task_rq_lock(task,&flags);

對(duì)任務(wù)隊(duì)列的操作

task_rq_unlock(rq, &flags);

一個(gè)疑問，解鎖后，之前的任務(wù)還繼續(xù)運(yùn)行嗎？

睡眠和喚醒

休

眠(被阻塞)的進(jìn)程處于一個(gè)特殊的不可執(zhí)行狀態(tài)。

進(jìn)程休眠有種原因，但肯定都是為了等待一些事件。事件可能是一段時(shí)間，從文件I/O讀取更多的數(shù)據(jù)，或者是某個(gè)硬件事件。一個(gè)進(jìn)程還有可能在嘗試獲取一個(gè)

已被占用的內(nèi)核信號(hào)量時(shí)被迫進(jìn)入休眠。休眠的一個(gè)常見原因是文件I/O——如進(jìn)程對(duì)一個(gè)文件執(zhí)行了read()操作，而這需要從磁盤里讀取。還有，進(jìn)程在

獲取鍵盤輸入的時(shí)候也需要等待。無論哪種情況，內(nèi)核的操作都相同：進(jìn)程把它自己標(biāo)記成休眠狀態(tài)，把自己從可執(zhí)行隊(duì)列移出，放入等待隊(duì)列，然后調(diào)用

schedule()選擇和執(zhí)行一個(gè)其他進(jìn)程。喚醒的過程剛好相反；進(jìn)程被設(shè)置為可執(zhí)行狀態(tài)，然后再?gòu)牡却?duì)列中移到可執(zhí)行隊(duì)列。??? 等待隊(duì)列：休眠通過等待隊(duì)列來處理，等待隊(duì)列是由等待某些事件發(fā)生的進(jìn)程組成的簡(jiǎn)單鏈表。

4.3 搶占和上下文切換

上下文切換，也就是從一個(gè)可執(zhí)行進(jìn)程切換到另一個(gè)可執(zhí)行進(jìn)程，由定義在kernel/sched.c中的context_switch()函數(shù)處理。每當(dāng)一個(gè)新的進(jìn)程被選出來準(zhǔn)備投入運(yùn)行的時(shí)候，schedule()就會(huì)調(diào)用該函數(shù)。它完成兩項(xiàng)基本工作：

(1)調(diào)用定義在中的switch_mm()，該函數(shù)負(fù)責(zé)把虛擬內(nèi)存從上一個(gè)進(jìn)程映射切換到新的進(jìn)程中(前面已經(jīng)提及，虛擬內(nèi)存讓進(jìn)程在獲取和使用內(nèi)存時(shí)覺得自己擁有整個(gè)系統(tǒng)的所有內(nèi)存資源)。

(2)調(diào)用定義在中的switch_to(),該函數(shù)負(fù)責(zé)從上一個(gè)進(jìn)程的處理器狀態(tài)切換到新進(jìn)程的處理器狀態(tài)(虛擬處理器)。這包括保存、恢復(fù)棧信息和寄存器信息。

4.3.1 用戶搶占

內(nèi)

核即將返回用戶空間的時(shí)候，如果need_resched標(biāo)志被設(shè)置，會(huì)導(dǎo)致schedule()被調(diào)用，此時(shí)就會(huì)發(fā)生用戶搶占。內(nèi)核無論是從中斷處理程

序還是在系統(tǒng)調(diào)用后返回，都會(huì)檢查need_resched標(biāo)志。如果它被設(shè)置了，那么內(nèi)核會(huì)選擇一個(gè)其他進(jìn)程投入運(yùn)行。從中斷處理程序或系統(tǒng)調(diào)用返回的代碼都是和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的，在entry.S(此文件不僅包含內(nèi)核入口部分的程序，內(nèi)核退出部分的代碼也在其中)文件中通過匯編語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)。

4.3.2 內(nèi)核搶占

只

要當(dāng)前進(jìn)程沒有持有鎖，內(nèi)核就可以進(jìn)行搶占。鎖是非搶占區(qū)的標(biāo)志。所以，如果沒有持有鎖，那么正在執(zhí)行的代碼就是可重新導(dǎo)入的，也就是可搶占的。

為了支持內(nèi)核搶占，每個(gè)進(jìn)程的thread_info引入了preempt_count計(jì)數(shù)器。初始值為0，每當(dāng)使用鎖的時(shí)候就加1，釋放鎖的時(shí)候就減

1。當(dāng)=0時(shí)，內(nèi)核就可以被搶占。從中斷返回內(nèi)核空間的時(shí)候，內(nèi)核會(huì)檢查need_resched和preempt_count的值。如果前者被設(shè)置，且

后者為0，則說明有一個(gè)更為重要的任務(wù)需要執(zhí)行并且可以安全的搶占，此時(shí)，調(diào)度程序就會(huì)被調(diào)用。

4.4 與調(diào)度相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux内核双向循环队列,读书笔记之linux内核设计与实现（2）进程调度的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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