linux0.11内核分析之进程调度

linux0.11内核分析之进程调度

引入

对于一个操作系统小白来说，最重要系统性能的衡量指标就是——流畅度，也就是俗称的“卡不卡”，而这个系统性能背后的支撑就是linux内核的重要组成部分——进程的调度。

进程调度策略概述

进程调度的策略常见有三

1、first come first serve(FCFS)

顾名思义，即先来先服务。指的是每次选择一个最先进入进程队列的进程，为其分配CPU资源，使其进入运行状态，该进程将一直运行至完成或者事件发生使其进入阻塞状态。

• 优点：简单明了

• 缺点：如果进程需要长时间占用CPU资源，则在进程执行期间，别的进程将会一直无法运行，这样的策略将会导致“卡顿”如同家常便饭。

2、高优先级优先

对进程划分优先级，每次选择一个优先级最高的进程运行，低优先级的进程需要等到高优先级的进程运行完成方可获得CPU资源。而该策略又分为抢占式和非抢占式两种策略，区别是当前进程运行的时候能否被后来的高优先级进程打断。

• 优点：照顾紧迫型作业，让“好钢用在刀刃上”
• 缺点：如果队列中一直有新的高优先级进程进入，低优先级的进程可能永远不会被执行；如果低优先级进程访问了高优先级进程所需的共享资源，则高优先级进程由于资源被占用处于阻塞态，低优先级由于优先级低无法获得CPU资源，可能高优先级进程永远无法获得资源。

3、时间片轮转法

给就绪进程队列中的每一个进程分配一定量的时间片，当执行的时间片用完时，把进程送往就绪队列的末尾，再将CPU资源分配给队列中新的队首进程。

• 优点：雨露均沾，系统能对每一个进程做出响应
• 缺点：时间片的大小难以确定，需要经过多次实验方可确定最优值，保证既使得每一个进程都获得一定的CPU执行时间，又体现进程的执行效率

进程调度相关源码阅读

1、schedule

void schedule(void)
{
	int i,next,c;
	struct task_struct ** p;

/* check alarm, wake up any interruptible tasks that have got a signal */

	for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
		if (*p) {
			if ((*p)->alarm && (*p)->alarm < jiffies) {
					(*p)->signal |= (1<<(SIGALRM-1));
					(*p)->alarm = 0;
				}
			if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&
			(*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)
				(*p)->state=TASK_RUNNING;
		}

/* this is the scheduler proper: */

	while (1) {
		c = -1;
		next = 0;
		i = NR_TASKS;
		p = &task[NR_TASKS];
		while (--i) {
			if (!*--p)
				continue;
			if ((*p)->state == TASK_RUNNING && (*p)->counter > c)
				c = (*p)->counter, next = i;
		}
		if (c) break;
		for(p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p)
			if (*p)
				(*p)->counter = ((*p)->counter >> 1) +
						(*p)->priority;
	}
	switch_to(next);
}

进程调度的策略就放在这么一个小小的schedule函数中，函数的主体分为两部分。

首先是**检查所有进程的定时器，如果发现有进程的定时器已经达到目的时间了，则唤醒进程。**将进程的pid保存在next变量中。

其次是对当前所有进程进行遍历，并记录所有就绪的进程的状态与时间片数量，从中挑选出就绪且时间片最大的进程。此时next的值为0

如果没有一个进程处于就绪状态，则为将所有进程的时间片右移一位，随后将时间片的值加上进程的优先级。然后将CPU的使用权交给pid为next的进程，完成调度。

2、sys_pause

int sys_pause(void)
{
	current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
	schedule();
	return 0;
}

对于sys_pause函数，内核的实现较为简单。首先，将当前进程的状态置为可中止的睡眠态，随后调用schedule函数进行进程调度

3、system_call

system_call:
	cmpl $nr_system_calls-1,%eax
	ja bad_sys_call
	push %ds
	push %es
	push %fs
	pushl %edx
	pushl %ecx		# push %ebx,%ecx,%edx as parameters
	pushl %ebx		# to the system call
	movl $0x10,%edx		# set up ds,es to kernel space
	mov %dx,%ds
	mov %dx,%es
	movl $0x17,%edx		# fs points to local data space
	mov %dx,%fs
	call sys_call_table(,%eax,4)
	pushl %eax
	movl current,%eax
	cmpl $0,state(%eax)		# state
	jne reschedule
	cmpl $0,counter(%eax)		# counter
	je reschedule


reschedule:
	pushl $ret_from_sys_call
	jmp schedule

在内核调用系统函数的时候，会用一个trap指令“INT 0x80”引发一个内部中断，随后调用system_call函数来进行处理（系统函数的调用），在system_call中，进程的状态从用户态转换为核心态，system_call函数根据保存在esp寄存器中的系统调用号到sys_call_table中寻找对应的系统调用函数并执行。

值得注意的是，在system_call函数的末尾，有两条条件跳转语句，指向同一个地址——reschedule，而该地址的内容是：**首先，把ret_from_sys_call地址压入栈中作为返回值，随后跳转到schedule进行进程的调度。**在完成调度后，跳转到ret_from_sys_call进行寄存器状态的恢复并返回到用户态。

为什么需要在system_call函数的末尾进行进程的调度呢？因为在系统调用函数执行时，可能会改变进程的运行状态，但是此时贸然调用schedule可能会破坏当前函数的栈状态，所以等到system_call执行结束后，检测进程的运行状态（state）和剩余时间片（counter），如果发现进程已经进入阻塞状态或者时间片已经消耗殆尽时，再执行一次schedule实现进程的调度。

进程调度策略特点分析

看完了源码，我们来分析进程调度策略的特点：

• 0号进程是系统的第一个进程，在所有进程时间片耗尽或者陷入阻塞状态的时候，把0号进程唤醒有利于系统的正常运行

• 在系统调用等事件改变了进程的时间片或进程状态时，调用调度函数及时完成系统资源在进程之间的交接

• 当所有进程处于阻塞态时，给进程分配时间片。但为了体现进程的优先级，分配的时间片与进程的优先级直接相关。而为了避免进程一直处于阻塞态，获得的时间片过大，使用右移操作把时间片的值限定在进程优先级的两倍

• 当多个进程处于就绪态时，通过比较时间片的大小进行系统资源的分配，结合上一条特性，既使得了低优先级的进程不至于被搁置太久，又保证了高优先级的进程能够及时获得系统资源

进程调度流程图

最后，千言万语不如一张流程图，贴上一张自己做的图，思路来自这篇优秀的博文

以fork函数为例：