《深入Linux内核架构》(2)进程管理和调度

• 所有现代操作系统都可以“同时”运行若干进程。
  • 只有一个处理器的系统只能在给定时刻运行一个程序。
  • 在多处理器系统中可以真正并行运行的进程数目取决于物理CPU的数目。
• 为什么内核和处理器可以给我们建立多任务的错觉，即可以并行运行多个程序？
  • 短时间内系统运行的应用程序不停切换。切换时间间隔很短，短到用户无法察觉。
• 这种系统管理方式引起了几个问题，内核必须解决下面这些问题
  • 除非明确地要求，否则应用程序不能彼此干扰。由于Linux是一个多用户系统，它也必须确保程序不能读取或修改其他程序的内存，否则就很容易访问其他用户的私有数据。（可以使用存储保护实现，将在第3章进行处理）
  • CPU时间必须在各种应用程序之间尽可能公平地共享。
• 本章主要介绍内核共享CPU时间的方法，以及如何在进程之间切换。这里有两个任务，其执行是相对独立的。
  • 内核必须决定为各个进程分配多长时间，何时切换到下一个进程。这又引出了哪个进程是下一个的问题。此类决策是平台无关的。
  • 在内核从进程A切换到进程B时，必须确保进程B的执行环境与上一次撤销其处理器资源时完全相同。例如，处理器寄存器的内容和虚拟地址空间的结构必须与此前相同。（这项工作与处理器极度相关。不能只用C语言实现，还需要汇编代码的帮助）
  • 上面两个任务是称之为调度器的内核子系统的职责。CPU时间如何分配取决于调度器策略，这与用于在各个进程之间切换的任务切换机制完全无关。

1、进程优先级

• 进程可分为实时进程和非实时进程，而实时进程又可以分为硬实时进程和软实时进程。

  • 硬实时进程：有严格的时间限制，某些任务必须在指定的时限内完成。
    • 一个例子：飞控软件
    • 注意，这并不意味着所要求的时间范围特别短，而是要保证在极端的情况下也决不会超过某一时间范围。
    • Linux在主流的内核中不支持硬实时进程，而一些修改版本比如RTLinux则支持。
  • 软实时进程：是硬实时进程的一种弱化形式。尽管仍然需要快速得到结果，但稍微晚一点不会造成重大后果。
  • 普通进程：大多数进程，没有特定时间约束。但仍然可以根据重要性来分配优先级。

• CPU时间分配简图
  

  • 进程的运行按时间片调度，分配给进程的时间片份额与其相对重要性相当。
  • 系统中时间的流动对应于圆盘的转动，CPU由圆周旁的“扫描器”表示。
  • 这种方案称之为 抢占式多任务处理（preemptive multitasking） ，各个进程都分配到一定的时间段可以执行。时间段到期后，内核会从进程收回控制权，让一个不同的进程运行，而不考虑前一进程所执行的上一个任务。
  • 被抢占进程的运行时环境，即所有CPU寄存器的内容和页表，都会保存起来，因此其执行结果不会丢失。在该进程恢复执行时，其进程环境可以完全恢复。时间片的长度会根据进程重要性（以及因此而分配的优先级）的不同而变化。

• 上图的CPU时间分配简图是不准确的，因为它没有考虑下面几个重要问题

  • 进程在某些时间可能因为无事可做而无法立即执行，这样会导致CPU资源的巨大浪费，所以这样的进程应该避免。图中假定的所有进程都是可以立即运行的，显然不现实。
  • Linux支持不同的调度类别（在进程之间完全公平的调度和实时调度），调度时也必须考虑到这一点。
  • 此外，在有重要的进程变为就绪状态可以运行时，有一种选项是抢占当前的进程，图中也没有反映出这一点。

• 调度器代码的更新迭代

  • Linux2.5使用的是O(1)调度器。O(1)调度器一个特别的性质是，它可以在常数时间内完成其工作，不依赖于系统上运行的进程数目。
  • Linux2.6.23使用的是 完全公平调度器（CFS,completely fair scheduler） ，该调度器的关键特性是，它试图尽可能地模仿理想情况下的公平调度。此外，它不仅可以调度单个进程，还能够处理更一般性的 调度实体（scheduling entity） 。例如，该调度器分配可用时间时，可以首先在不同用户之间分配，接下来在各个用户的进程之间分配。

2、进程生命周期

• 进程可能有以下几种状态。
  • 运行：该进程此刻正在执行。
  • 等待：进程能够运行，但没有得到许可，因为CPU分配给另一个进程。调度器可以在下一次任务切换时选择该进程。
  • 睡眠：进程正在睡眠无法运行，因为它在等待一个外部事件。调度器无法在下一次任务切换时选择该进程。
• 系统将所有进程保存在一个进程表中，无论其状态是运行、睡眠或等待。但睡眠进程会特别标记出来，调度器会知道它们无法立即运行（具体实现，请参考3节）。睡眠进程会分类到若干队列中，因此它们可在适当的时间唤醒，例如在进程等待的外部事件已经发生时。
• 下图描述了进程的几种状态及其转换。
  
  • 路径①：如果进程必须等待事件，则其状态运行改变为睡眠。
  • 路径②：在调度器决定从该进程收回CPU资源时（可能的原因稍后讲述），过程状态从运行改变为等待，
  • 路径③：在所等待的事件发生后，处于睡眠状态进程先变回到等待状态，然后重新回到正常循环。
  • 路径④：在分配CPU时间之后，进程由等待状态改变为运行
  • 路径⑤：在程序执行终止（例如，用户关闭应用程序）后，过程状态由运行变为终止
• 上文没有列出僵尸状态，下面是关于僵尸状态的解释：
  • 什么是僵尸状态？
    • 进程已经死亡，但仍然以某种方式活着。实际上，说这些进程死了，是因为其资源（内存、与外设的连接，等等）已经释放，因此它们无法也决不会再次运行。说它们仍然活着，是因为进程表中仍然有对应的表项。
  • 僵尸状态产生的原因
    • 条件1：程序必须由另一个进程或一个用户杀死（通常是通过发送SIGTERM或SIGKILL信号来完成，这等价于正常地终止进程）；
    • 条件2：进程的父进程在子进程终止时必须调用或已经调用wait4（读做wait for）系统调用。 这相当于向内核证实父进程已经确认子进程的终结。该系统调用使得内核可以释放为子进程保留的资源。
    • 只有在条件1发生（程序终止）而条件2不成立的情况下（wait4），才会出现“僵尸”状态
  • 僵尸进程残留带来的影响
    • 在进程终止之后，其数据尚未从进程表删除之前，进程总是暂时处于 僵尸状态。
    • 有时候（例如，如果父进程编程极其糟糕，没有发出wait调用），僵尸进程可能稳定地寄身于进程表中，直至下一次系统重启。
    • 从进程工具（如ps或top）的输出，可以看到僵尸进程。因为残余的数据在内核中占据的空间极少，所以这几乎不是问题。

补注1：抢占式多任务处理

• Linux进程管理的结构还需要另外两种进程状态选项：用户状态和核心态，什么是用户状态和核心态？
  • 进程通常都处于用户状态，只能访问自身的数据，无法干扰系统中的其他应用程序，甚至也不会注意到自身之外其他程序的存在。
  • 如果进程想要访问系统数据或功能（后者管理着所有进程之间共享的资源，例如文件系统空间），则必须切换到核心态。
• 用户状态切换到核心态的方法有哪些？
  • 第一种方法：系统调用。系统调用是由用户应用程序有意调用的。
  • 第二种方法：中断。发生中断时，其发生或多或少是不可预测的，用户状态切换到核心态的过程是自动触发的。处理中断的操作，通常与中断发生时执行的进程无关。
• 内核的抢占调度模型建立了一个层次结构，用于判断哪些进程状态可以由其他状态抢占。
  • 普通进程总是可能被抢占，甚至是由其他进程抢占。在一个重要进程变为可运行时，例如编辑器接收到了等待已久的键盘输入，调度器可以决定是否立即执行该进程，即使当前进程仍然在正常运行。对于实现良好的交互行为和低系统延迟，这种抢占起到了重要作用。
  • 如果系统处于核心态并正在处理系统调用，那么系统中的其他进程是无法夺取其CPU时间的。调度器必须等到系统调用执行结束，才能选择另一个进程执行，但中断可以中止系统调用（在进行重要的内核操作时，可以停用几乎所有的中断）。
  • 中断可以暂停处于用户状态和核心态的进程。中断具有最高优先级，因为在中断触发后需要
    尽快处理。
• Linux内核支持 内核抢占（kernel preemption） 选项。该选项支持在紧急情况下切换到另一个进程，甚至当前是处于核心态执行系统调用（中断处理期间是不行的）。

3、进程表示