2015
引言
之前的文章已经介绍了调度器已经初始化完成,现在只需要加入一个周期定时器tick驱动它进行周期调度即可,而加入定时器tick在下一篇文章进行简单说明(主要这部分涉及调度器比较少,更多的是时钟、定时器相关知识)。这篇文章主要说明系统如何把一个进程加入到队列中。
加入时机
之前的文章也有提到过,只有处于TASK_RUNNING状态下的进程才能够加入到调度器,其他状态都不行,也就说明了,当一个进程处于睡眠、挂起状态的时候是不存在于调度器中的,而进程加入调度器的时机如下:
- 当进程创建完成时,进程刚创建完成时,即使它运行起来立即调用sleep()进程睡眠,它也必定先会加入到调度器,因为实际上它加入调度器后自己还需要进行一定的初始化和操作,才会调用到我们的“立即”sleep()。
- 当进程被唤醒时,也使用sleep的例子说明,我们平常写程序使用的sleep()函数实现原理就是通过系统调用将进程状态改为TASK_INTERRUPTIBLE,然后移出运行队列,并且启动一个定时器,在定时器到期后唤醒进程,再重新放入运行队列。
sched_fork
在我的博文关于linux系统如何实现fork的研究(二)中专门描述了copy_process()这个创建函数,而里面有一个函数专门用于进程调度的初始化,就是sched_fork(),其代码如下
- int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
- {
- unsigned long flags;
- /* 获取当前CPU,并且禁止抢占 */
- int cpu = get_cpu();
-
- /* 初始化跟调度相关的值,比如调度实体,运行时间等 */
- __sched_fork(clone_flags, p);
- /*
- * 标记为运行状态,表明此进程正在运行或准备好运行,实际上没有真正在CPU上运行,这里只是导致了外部信号和事件不能够唤醒此进程,之后将它插入到运行队列中
- */
- p->state = TASK_RUNNING;
-
- /*
- * 根据父进程的运行优先级设置设置进程的优先级
- */
- p->prio = current->normal_prio;
-
- /*
- * 更新该进程优先级
- */
- /* 如果需要重新设置优先级 */
- if (unlikely(p->sched_reset_on_fork)) {
- /* 如果是dl调度或者实时调度 */
- if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p)) {
- /* 调度策略为SCHED_NORMAL,这个选项将使用CFS调度 */
- p->policy = SCHED_NORMAL;
- /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
- p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
- /* 实时优先级为0 */
- p->rt_priority = 0;
- } else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)
- /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
- p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
-
- /* p->prio = p->normal_prio = p->static_prio */
- p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p);
- /* 设置进程权重 */
- set_load_weight(p);
-
- /* sched_reset_on_fork成员在之后已经不需要使用了,直接设为0 */
- p->sched_reset_on_fork = 0;
- }
-
- if (dl_prio(p->prio)) {
- /* 使能抢占 */
- put_cpu();
- /* 返回错误 */
- return -EAGAIN;
- } else if (rt_prio(p->prio)) {
- /* 根据优先级判断,如果是实时进程,设置其调度类为rt_sched_class */
- p->sched_class = &rt_sched_class;
- } else {
- /* 如果是普通进程,设置其调度类为fair_sched_class */
- p->sched_class = &fair_sched_class;
- }
- /* 调用调用类的task_fork函数 */
- if (p->sched_class->task_fork)
- p->sched_class->task_fork(p);
-
- /*
- * The child is not yet in the pid-hash so no cgroup attach races,
- * and the cgroup is pinned to this child due to cgroup_fork()
- * is ran before sched_fork().
- *
- * Silence PROVE_RCU.
- */
- raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
- /* 设置新进程的CPU为当前CPU */
- set_task_cpu(p, cpu);
- raw_spin_unlock_irqrestore(&p->pi_lock, flags);
-
- #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
- if (likely(sched_info_on()))
- memset(&p->sched_info, 0, sizeof(p->sched_info));
- #endif
- #if defined(CONFIG_SMP)
- p->on_cpu = 0;
- #endif
- /* task_thread_info(p)->preempt_count = PREEMPT_DISABLED; */
- /* 初始化该进程为内核禁止抢占 */
- init_task_preempt_count(p);
- #ifdef CONFIG_SMP
- plist_node_init(&p->pushable_tasks, MAX_PRIO);
- RB_CLEAR_NODE(&p->pushable_dl_tasks);
- #endif
- /* 使能抢占 */
- put_cpu();
- return 0;
- }
在sched_fork()函数中,主要工作如下:
- 获取当前CPU号
- 禁止内核抢占(这里基本就是关闭了抢占,因为执行到这里已经是内核态,又禁止了被抢占)
- 初始化进程p的一些变量(实时进程和普通进程通用的那些变量)
- 设置进程p的状态为TASK_RUNNING(这一步很关键,因为只有处于TASK_RUNNING状态下的进程才会被调度器放入队列中)
- 根据父进程和clone_flags参数设置进程p的优先级和权重。
- 根据进程p的优先级设置其调度类(实时进程优先级:0~99 普通进程优先级:100~139)
- 根据调度类进行进程p类型相关的初始化(这里就实现了实时进程和普通进程独有的变量进行初始化)
- 设置进程p的当前CPU为此CPU。
- 初始化进程p禁止内核抢占(因为当CPU执行到进程p时,进程p还需要进行一些初始化)
- 使能内核抢占
可以看出sched_fork()进行的初始化也比较简单,需要注意的是不同类型的进程会使用不同的调度类,并且也会调用调度类中的初始化函数。在实时进程的调度类中是没有特定的task_fork()函数的,而普通进程使用cfs策略时会调用到task_fork_fair()函数,我们具体看看实现:
- static void task_fork_fair(struct task_struct *p)
- {
- struct cfs_rq *cfs_rq;
-
- /* 进程p的调度实体se */
- struct sched_entity *se = &p->se, *curr;
-
- /* 获取当前CPU */
- int this_cpu = smp_processor_id();
-
- /* 获取此CPU的运行队列 */
- struct rq *rq = this_rq();
- unsigned long flags;
-
- /* 上锁并保存中断记录 */
- raw_spin_lock_irqsave(&rq->lock, flags);
-
- /* 更新rq运行时间 */
- update_rq_clock(rq);
-
- /* cfs_rq = current->se.cfs_rq; */
- cfs_rq = task_cfs_rq(current);
-
- /* 设置当前进程所在队列为父进程所在队列 */
- curr = cfs_rq->curr;
-
- /*
- * Not only the cpu but also the task_group of the parent might have
- * been changed after parent->se.parent,cfs_rq were copied to
- * child->se.parent,cfs_rq. So call __set_task_cpu() to make those
- * of child point to valid ones.
- */
- rcu_read_lock();
- /* 设置此进程所属CPU */
- __set_task_cpu(p, this_cpu);
- rcu_read_unlock();
-
- /* 更新当前进程运行时间 */
- update_curr(cfs_rq);
-
- if (curr)
- /* 将父进程的虚拟运行时间赋给了新进程的虚拟运行时间 */
- se->vruntime = curr->vruntime;
- /* 调整了se的虚拟运行时间 */
- place_entity(cfs_rq, se, 1);
-
- if (sysctl_sched_child_runs_first && curr && entity_before(curr, se)) {
- /*
- * Upon rescheduling, sched_class::put_prev_task() will place
- * 'current' within the tree based on its new key value.
- */
- swap(curr->vruntime, se->vruntime);
- resched_curr(rq);
- }
-
- /* 保证了进程p的vruntime是运行队列中最小的(这里占时不确定是不是这个用法,不过确实是最小的了) */
- se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;
-
- /* 解锁,还原中断记录 */
- raw_spin_unlock_irqrestore(&rq->lock, flags);
- }
在task_fork_fair()函数中主要就是设置进程p的虚拟运行时间和所处的cfs队列,值得我们注意的是 cfs_rq = task_cfs_rq(current); 这一行,在注释中已经表明task_cfs_rq(current)返回的是current的se.cfs_rq,注意se.cfs_rq保存的并不是根cfs队列,而是所处的cfs_rq,也就是如果父进程处于一个进程组的cfs_rq中,新创建的进程也会处于这个进程组的cfs_rq中。
wake_up_new_task()
到这里新进程关于调度的初始化已经完成,但是还没有被调度器加入到队列中,其是在do_fork()中的wake_up_new_task(p);中加入到队列中的,我们具体看看wake_up_new_task()的实现:
- void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
- {
- unsigned long flags;
- struct rq *rq;
-
- raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
- #ifdef CONFIG_SMP
- /*
- * Fork balancing, do it here and not earlier because:
- * - cpus_allowed can change in the fork path
- * - any previously selected cpu might disappear through hotplug
- */
- /* 为进程选择一个合适的CPU */
- set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));
- #endif
-
- /* Initialize new task's runnable average */
- /* 这里是跟多核负载均衡有关 */
- init_task_runnable_average(p);
- /* 上锁 */
- rq = __task_rq_lock(p);
- /* 将进程加入到CPU的运行队列 */
- activate_task(rq, p, 0);
- /* 标记进程p处于队列中 */
- p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
- /* 跟调试有关 */
- trace_sched_wakeup_new(p, true);
- /* 检查是否需要切换当前进程 */
- check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
- #ifdef CONFIG_SMP
- if (p->sched_class->task_woken)
- p->sched_class->task_woken(rq, p);
- #endif
- task_rq_unlock(rq, p, &flags);
- }
在wake_up_new_task()函数中,将进程加入到运行队列的函数为activate_task(),而activate_task()函数最后会调用到新进程调度类中的enqueue_task指针所指函数,这里我们具体看一下cfs调度类的enqueue_task指针所指函数enqueue_task_fair(): - static void
- enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
- {
- struct cfs_rq *cfs_rq;
- struct sched_entity *se = &p->se;
-
- /* 这里是一个迭代,我们知道,进程有可能是处于一个进程组中的,所以当这个处于进程组中的进程加入到该进程组的队列中时,要对此队列向上迭代 */
- for_each_sched_entity(se) {
- if (se->on_rq)
- break;
- /* 如果不是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED,获取其所在CPU的rq运行队列的cfs_rq运行队列
- * 如果是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED,获取其所在的cfs_rq运行队列
- */
- cfs_rq = cfs_rq_of(se);
- /* 加入到队列中 */
- enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);
-
- /*
- * end evaluation on encountering a throttled cfs_rq
- *
- * note: in the case of encountering a throttled cfs_rq we will
- * post the final h_nr_running increment below.
- */
- if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
- break;
- cfs_rq->h_nr_running++;
-
- flags = ENQUEUE_WAKEUP;
- }
-
- /* 只有se不处于队列中或者cfs_rq_throttled(cfs_rq)返回真才会运行这个循环 */
- for_each_sched_entity(se) {
- cfs_rq = cfs_rq_of(se);
- cfs_rq->h_nr_running++;
-
- if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
- break;
-
- update_cfs_shares(cfs_rq);
- update_entity_load_avg(se, 1);
- }
-
- if (!se) {
- update_rq_runnable_avg(rq, rq->nr_running);
- /* 当前CPU运行队列活动进程数 + 1 */
- add_nr_running(rq, 1);
- }
- /* 设置下次调度中断发生时间 */
- hrtick_update(rq);
- }
在enqueue_task_fair()函数中又使用了enqueue_entity()函数进行操作,如下:
- static void
- enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
- {
- /*
- * Update the normalized vruntime before updating min_vruntime
- * through calling update_curr().
- */
- if (!(flags & ENQUEUE_WAKEUP) || (flags & ENQUEUE_WAKING))
- se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;
-
- /*
- * Update run-time statistics of the 'current'.
- */
- /* 更新当前进程运行时间和虚拟运行时间 */
- update_curr(cfs_rq);
- enqueue_entity_load_avg(cfs_rq, se, flags & ENQUEUE_WAKEUP);
- /* 更新cfs_rq队列总权重(就是在原有基础上加上se的权重) */
- account_entity_enqueue(cfs_rq, se);
- update_cfs_shares(cfs_rq);
-
- /* 新建的进程flags为0,不会执行这里 */
- if (flags & ENQUEUE_WAKEUP) {
- place_entity(cfs_rq, se, 0);
- enqueue_sleeper(cfs_rq, se);
- }
-
- update_stats_enqueue(cfs_rq, se);
- check_spread(cfs_rq, se);
-
- /* 将se插入到运行队列cfs_rq的红黑树中 */
- if (se != cfs_rq->curr)
- __enqueue_entity(cfs_rq, se);
- /* 将se的on_rq标记为1 */
- se->on_rq = 1;
-
- /* 如果cfs_rq的队列中只有一个进程,这里做处理 */
- if (cfs_rq->nr_running == 1) {
- list_add_leaf_cfs_rq(cfs_rq);
- check_enqueue_throttle(cfs_rq);
- }
- }
总结
需要注意的几点:
- 新创建的进程先会进行调度相关的结构体和变量初始化,其中会根据不同的类型进行不同的调度类操作,此时并没有加入到队列中。
- 当新进程创建完毕后,它的父进程会将其运行状态置为TASK_RUNNING,并加入到运行队列中。
- 加入运行队列时系统会根据CPU的负载情况放入不同的CPU队列中。