《趣谈linux操作系统》小结(十二) - 主动进程调度/抢占式调度

CPU切换主要有两种方式， 一种是主动释放CPU， 另外一种就是其他进程抢占CPU。

主动调度

在操作外部设备的时候，一般需要让出CPU。

主动调度，在linux源码内部调用的schedule函数来主动让出cpu

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
  struct task_struct *tsk = current;


  sched_submit_work(tsk);
  do {
    preempt_disable();
    __schedule(false);
    sched_preempt_enable_no_resched();
  } while (need_resched());
}

主要调动逻辑在__schedule函数，步骤：

• 取出当前cpu的任务队列rq,rq里面有不同的任务队列 cfs, rt, dl等。
• 获取下一个执行任务
• 如果下一个执行任务和当前任务不一致，进行上下文切换

上下文切换

上下文切换主要干两件事情，一是切换进程空间，也即虚拟内存；二是切换寄存器和 CPU 上下文。

寄存器和栈的切换，它调用到了 __switch_to_asm。这是一段汇编代码，主要用于栈的切换。
对于 32 位操作系统来讲，切换的是栈顶指针 esp。
对于 64 位操作系统来讲，切换的是栈顶指针 rsp。

在 x86 体系结构中，提供了一种以硬件的方式进行进程切换的模式，对于每个进程，x86 希望在内存里面维护一个 TSS（Task State Segment，任务状态段）结构。这里面有所有的寄存器。

另外，还有一个特殊的寄存器 TR（Task Register，任务寄存器），指向某个进程的 TSS。更改 TR 的值，将会触发硬件保存 CPU 所有寄存器的值到当前进程的 TSS 中，然后从新进程的 TSS 中读出所有寄存器值，加载到 CPU 对应的寄存器中。

所谓的进程切换，就是将某个进程的 thread_struct 里面的寄存器的值，写入到 CPU 的 TR 指向的 tss_struct，对于 CPU 来讲，这就算是完成了切换。

指令指针的保存与恢复

实际在切换的过程中，指令指针寄存器的值没有改变，只是其他寄存器切成了新进程的值，这样指令指针寄存器运行时，用的全部都是新进程相关的值，也就理所当然的成为新进程的指令指针寄存器。挺绕的，实际就是人还是同一个人，在不同环境下他的地位不一样了，是父亲，是儿子，是丈夫。。。

抢占式调度

常见的现象就是一个进程执行时间太长了，是时候切换到另一个进程了。在计算机里面有一个时钟，会过一段时间触发一次时钟中断，通知操作系统，时间又过去一个时钟周期，这是个很好的方式，可以查看是否是需要抢占的时间点。

时钟中断处理函数会调用 scheduler_tick()。函数先取出当前 CPU 的运行队列，然后得到这个队列上当前正在运行中的进程的 task_struct，然后调用这个 task_struct 的调度类的 task_tick 函数。先是调用 sched_slice 函数计算出的 ideal_runtime。判断在这个时间周期内，当前进程占用的时间是否超过了idealtime，超过就需要被抢占了。这个条件之外，还会通过 __pick_first_entity 取出红黑树中最小的进程。如果当前进程的 vruntime 大于红黑树中最小的进程的 vruntime，且差值大于 ideal_runtime，也应该被抢占了。这里只是给任务置了一个标志。

另外一种现象是当一个进程被唤醒的时候。当 I/O 到来的时候，进程往往会被唤醒。这个时候是一个时机。当被唤醒的进程优先级高于 CPU 上的当前进程，就会触发抢占。这里也只是给当前运行的任务置了一个标志。

抢占的时机

真正的抢占还需要时机，也就是需要那么一个时刻，让正在运行中的进程有机会调用一下 __schedule。

不可能某个进程代码运行着，突然要去调用 __schedule，代码里面不可能这么写，所以一定要规划几个时机，这个时机分为用户态和内核态。

用户态的抢占时机

主要是在系统调用返回和中断处理函数返回的时候，如果有标志位，则进行调用 schedule函数进行调度。可以查看函数exit_to_usermode_loop的实现。

内核态的抢占时机

对内核态的执行中，被抢占的时机一般发生在 preempt_enable() 中。在内核态的执行中，有的操作是不能被中断的，所以在进行这些操作之前，总是先调用 preempt_disable() 关闭抢占，当再次打开的时候，就是一次内核态代码被抢占的机会。

同样的，内核态处理中断返回时，也可以触发检查抢占，进行schedule调度。

实际工作中，也用了许多这种设置标记的情况。比如，相同配置连续下发的时候，处理耗时又比较长，每个处理都是不可被中断的。那么，就只能保存最新的那条配置，然后设置标记为需要更新。当配置更新完成后，检查标志位，如果需要更新，再启动新一轮的处理流程。

行动，才不会被动!

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