Linux 進程管理中如何進行調度和進程切換

這篇文章將為大家詳細講解有關Linux 進程管理中如何進行調度和進程切換，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

什么是調度?按照某種調度算法，從進程的ready隊列中選擇進程給CPU。

為什么要調度?為了最大限度的利用CPU。

調度相關結構體

task_struct

我們先把task_struct中和調度相關的結構拎出來：

struct task_struct {  ......    /*  *調度類。用 sched_class 對調度器進行抽象   *Stop調度器:stop_sched_class  *Deadline調度器:dl_sched_class  *RT調度器:rt_sched_class  *CFS調度器:cfs_sched_class  *IDLE-Task調度器:idle_sched_class  */  const struct sched_class *sched_class;  //CFS調度實體  struct sched_entity  se;  //RT調度實體  struct sched_rt_entity  rt;    ......    #ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED  //任務組（在每個CPU上都會維護一個CFS調度實體、CFS運行隊列; RT調度實體，RT運行隊列）  struct task_group  *sched_task_group;  #endif  //DL調度實體  struct sched_dl_entity  dl;    ......    /*  *進程的調度策略,有6種。  *限期進程調度策略:SCHED_DEADLINE。DL調度器  *實時進程調度策略:SCHED_FIFO，SCHED_RR。RT調度器  *普通進程調度策略:SCHED_NORMAL，SCHED_BATCH，SCHED_IDLE。CFS調度器  */  unsigned int   policy;    ...... }

struct sched_class 對調度器進行抽象，一共分為5類：

• Stop調度器：優先級最高的調度類，可以搶占其他所有進程，不能被其他進程搶占;

• Deadline調度器：使用紅黑樹，把進程按照絕對截止期限進行排序，選擇最小進程進行調度運行;

• RT調度器：為每個優先級維護一個隊列;

• CFS調度器：采用完全公平調度算法，引入虛擬運行時間概念;

• IDLE-Task調度器：每個CPU都會有一個idle線程，當沒有其他進程可以調度時，調度運行idle線程;

unsigned int policy 進程的調度策略有6種，用戶可以調用調度器里的不同調度策略：

• SCHED_DEADLINE：使task選擇Deadline調度器來調度運行

• SCHED_RR：時間片輪轉，進程用完時間片后加入優先級對應運行隊列的尾部，把CPU讓給同優先級的其他進程;

• SCHED_FIFO：先進先出調度沒有時間片，沒有更高優先級的情況下，只能等待主動讓出CPU;

• SCHED_NORMAL：使task選擇CFS調度器來調度運行;

• SCHED_BATCH：批量處理，使task選擇CFS調度器來調度運行;

• SCHED_IDLE：使task以最低優先級選擇CFS調度器來調度運行;

• struct sched_entity se;采用CFS算法調度的普通非實時進程的調度實體

• struct sched_rt_entity rt;采用Roound-Robin或者FIFO算法調度的實時調度實體

• struct sched_dl_entity dl; 采用EDF算法調度的實時調度實體

分配給CPU的task，作為調度實體加入到運行隊列中

runqueue 運行隊列

struct rq {  ......    //三個調度隊列：CFS調度，RT調度，DL調度  struct cfs_rq cfs;  struct rt_rq rt;  struct dl_rq dl;    ......    //idle指向空閑內核線程, stop指向遷移內核線程  struct task_struct *curr, *idle, *stop;  ...... }

三個調度隊列：

• struct cfs_rq cfs; CFS調度隊列

• struct rt_rq rt; RT調度隊列

• struct dl_rq dl; DL調度隊列

每個CPU都有一個運行隊列，每個運行隊列中有三個調度隊列，task作為調度實體加入到各自的調度隊列中。

調度流程

調度的本質就是選擇下一個進程來運行，調度的過程分為兩步：

1. 設置調度標記

為CPU上正在運行的進程thread_info結構體里的flags成員設置TIF_NEED_RESCHED。

那么，什么時候設置TIF_NEED_RESCHED呢 ?

1. 鴻蒙官方戰略合作共建——HarmonyOS技術社區

2. scheduler_tick 時鐘中斷

3. wake_up_process 喚醒進程的時候

4. do_fork 創建新進程的時候

5. smp_send_reschedule 負載均衡的時候

6. set_user_nice 修改進程nice值的時候

以上情況下都會通過 resched_curr 來設置進程thread_info結構體里的flags成員為TIF_NEED_RESCHED。以  scheduler_tick 和 wake_up_process 為例：

關于是否需要設置TIF_NEED_RESCHED的依據涉及到具體的調度算法，等我們講到具體調度器時再詳細講。

2. 執行調度

kernel判斷當前進程標記是否為TIF_NEED_RESCHED，是的話調用 schedule  函數切換上下文，kernel空間是可以關搶占的，user空間是無法關搶占的。搶占可分為內核態搶占和用戶態搶占

用戶態搶占

ret_to_user是系統調用，異常觸發，中斷處理完成后都會調用的函數。

內核態搶占

進程切換上下文 context_switch

通過上面我們知道執行調度的時候發生在 _schedule 函數里。

重點是其中的兩個函數，一個是選擇需要切換任務的 pick_next_task，另外一個是完成進程上下文切換 context_switch。

關于選擇task的策略涉及到不同的調度類，等我們講到具體調度器的時候再展開，這里重點講下上下文切換的函數  context_switch，進程上下文切換主要涉及到兩部分主要過程：進程地址空間切換和處理器狀態切換：

• 進程的地址空間切換

將下一個進程的pgd虛擬地址轉化為物理地址存放在ttbr0_el1中(這是用戶空間的頁表基址寄存器)，當訪問用戶空間地址的時候mmu會通過這個寄存器來做遍歷頁表獲得物理地址。完成了這一步，也就完成了進程的地址空間切換，確切的說是進程的虛擬地址空間切換。

• 寄存器狀態切換

其中x19-x28是arm64  架構規定需要調用保存的寄存器，可以看到處理器狀態切換的時候將前一個進程(prev)的x19-x28，fp,sp,pc保存到了進程描述符的cpu_contex中，然后將即將執行的進程(next)描述符的cpu_contex的x19-x28，fp,sp,pc恢復到相應寄存器中，而且將next進程的進程描述符task_struct地址存放在sp_el0中，用于通過current找到當前進程，這樣就完成了處理器的狀態切換。

關于Linux 進程管理中如何進行調度和進程切換就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。