x调度器源码分析 - 新进程加入(三)
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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
1 int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
2 {
3 unsigned long flags;
4 /* 获取当前CPU，并且禁止抢占 */
5 int cpu = get_cpu();
6
7 /* 初始化跟调度相关的值，比如调度实体，运行时间等 */
8 __sched_fork(clone_flags, p);
9 /*
10 * 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
11 */
12 p->state = TASK_RUNNING;
13
14 /*
15 * 根据父进程的运行优先级设置设置进程的优先级
16 */
17 p->prio = current->normal_prio;
18
19 /*
20 * 更新该进程优先级
21 */
22 /* 如果需要重新设置优先级 */
23 if (unlikely(p->sched_reset_on_fork)) {
24 /* 如果是dl调度或者实时调度 */
25 if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p)) {
26 /* 调度策略为SCHED_NORMAL，这个选项将使用CFS调度 */
27 p->policy = SCHED_NORMAL;
28 /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
29 p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
30 /* 实时优先级为0 */
31 p->rt_priority = 0;
32 } else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)
33 /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
34 p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
35
36 /* p->prio = p->normal_prio = p->static_prio */
37 p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p);
38 /* 设置进程权重 */
39 set_load_weight(p);
40
41 /* sched_reset_on_fork成员在之后已经不需要使用了，直接设为0 */
42 p->sched_reset_on_fork = 0;
43 }
44
45 if (dl_prio(p->prio)) {
46 /* 使能抢占 */
47 put_cpu();
48 /* 返回错误 */
49 return -EAGAIN;
50 } else if (rt_prio(p->prio)) {
51 /* 根据优先级判断，如果是实时进程，设置其调度类为rt_sched_class */
52 p->sched_class = &rt_sched_class;
53 } else {
54 /* 如果是普通进程，设置其调度类为fair_sched_class */
55 p->sched_class = &fair_sched_class;
56 }
57 /* 调用调用类的task_fork函数 */
58 if (p->sched_class->task_fork)
59 p->sched_class->task_fork(p);
60
61 /*
62 * The child is not yet in the pid-hash so no cgroup attach races,
63 * and the cgroup is pinned to this child due to cgroup_fork()
64 * is ran before sched_fork().
65 *
66 * Silence PROVE_RCU.
67 */
68 raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
69 /* 设置新进程的CPU为当前CPU */
70 set_task_cpu(p, cpu);
71 raw_spin_unlock_irqrestore(&p->pi_lock, flags);
72
73 #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
74 if (likely(sched_info_on()))
75 memset(&p->sched_info, 0, sizeof(p->sched_info));
76 #endif
77 #if defined(CONFIG_SMP)
78 p->on_cpu = 0;
79 #endif
80 /* task_thread_info(p)->preempt_count = PREEMPT_DISABLED; */
81 /* 初始化该进程为内核禁止抢占 */
82 init_task_preempt_count(p);
83 #ifdef CONFIG_SMP
84 plist_node_init(&p->pushable_tasks, MAX_PRIO);
85 RB_CLEAR_NODE(&p->pushable_dl_tasks);
86 #endif
87 /* 使能抢占 */
88 put_cpu();
89 return 0;
90 }
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：
1 static void task_fork_fair(struct task_struct *p)
2 {
3 struct cfs_rq *cfs_rq;
4
5 /* 进程p的调度实体se */
6 struct sched_entity *se = &p->se, *curr;
7
8 /* 获取当前CPU */
9 int this_cpu = smp_processor_id();
10
11 /* 获取此CPU的运行队列 */
12 struct rq *rq = this_rq();
13 unsigned long flags;
14
15 /* 上锁并保存中断记录 */
16 raw_spin_lock_irqsave(&rq->lock, flags);
17
18 /* 更新rq运行时间 */
19 update_rq_clock(rq);
20
21 /* cfs_rq = current->se.cfs_rq; */
22 cfs_rq = task_cfs_rq(current);
23
24 /* 设置当前进程所在队列为父进程所在队列 */
25 curr = cfs_rq->curr;
26
27 /*
28 * Not only the cpu but also the task_group of the parent might have
29 * been changed after parent->se.parent,cfs_rq were copied to
30 * child->se.parent,cfs_rq. So call __set_task_cpu() to make those
31 * of child point to valid ones.
32 */
33 rcu_read_lock();
34 /* 设置此进程所属CPU */
35 __set_task_cpu(p, this_cpu);
36 rcu_read_unlock();
37
38 /* 更新当前进程运行时间 */
39 update_curr(cfs_rq);
40
41 if (curr)
42 /* 将父进程的虚拟运行时间赋给了新进程的虚拟运行时间 */
43 se->vruntime = curr->vruntime;
44 /* 调整了se的虚拟运行时间 */
45 place_entity(cfs_rq, se, 1);
46
47 if (sysctl_sched_child_runs_first && curr && entity_before(curr, se)) {
48 /*
49 * Upon rescheduling, sched_class::put_prev_task() will place
50 * 'current' within the tree based on its new key value.
51 */
52 swap(curr->vruntime, se->vruntime);
53 resched_curr(rq);
54 }
55
56 /* 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) */
57 se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;
58
59 /* 解锁，还原中断记录 */
60 raw_spin_unlock_irqrestore(&rq->lock, flags);
61 }
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：
1 void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
2 {
3 unsigned long flags;
4 struct rq *rq;
5
6 raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
7 #ifdef CONFIG_SMP
8 /*
9 * Fork balancing, do it here and not earlier because:
10 * - cpus_allowed can change in the fork path
11 * - any previously selected cpu might disappear through hotplug
12 */
13 /* 为进程选择一个合适的CPU */
14 set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));
15 #endif
16
17 /* Initialize new task's runnable average */
18 /* 这里是跟多核负载均衡有关 */
19 init_task_runnable_average(p);
20 /* 上锁 */
21 rq = __task_rq_lock(p);
22 /* 将进程加入到CPU的运行队列 */
23 activate_task(rq, p, 0);
24 /* 标记进程p处于队列中 */
25 p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
26 /* 跟调试有关 */
27 trace_sched_wakeup_new(p, true);
28 /* 检查是否需要切换当前进程 */
29 check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
30 #ifdef CONFIG_SMP
31 if (p->sched_class->task_woken)
32 p->sched_class->task_woken(rq, p);
33 #endif
34 task_rq_unlock(rq, p, &flags);
35 }
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()：
1 static void
2 enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
3 {
4 struct cfs_rq *cfs_rq;
5 struct sched_entity *se = &p->se;
6
7 /* 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 */
8 for_each_sched_entity(se) {
9 if (se->on_rq)
10 break;
11 /* 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
12 * 如果是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED，获取其所在的cfs_rq运行队列
13 */
14 cfs_rq = cfs_rq_of(se);
15 /* 加入到队列中 */
16 enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);
17
18 /*
19 * end evaluation on encountering a throttled cfs_rq
20 *
21 * note: in the case of encountering a throttled cfs_rq we will
22 * post the final h_nr_running increment below.
23 */
24 if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
25 break;
26 cfs_rq->h_nr_running++;
27
28 flags = ENQUEUE_WAKEUP;
29 }
30
31 /* 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 */
32 for_each_sched_entity(se) {
33 cfs_rq = cfs_rq_of(se);
34 cfs_rq->h_nr_running++;
35
36 if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
37 break;
38
39 update_cfs_shares(cfs_rq);
40 update_entity_load_avg(se, 1);
41 }
42
43 if (!se) {
44 update_rq_runnable_avg(rq, rq->nr_running);
45 /* 当前CPU运行队列活动进程数 + 1 */
46 add_nr_running(rq, 1);
47 }
48 /* 设置下次调度中断发生时间 */
49 hrtick_update(rq);
50 }
在enqueue_task_fair()函数中又使用了enqueue_entity()函数进行操作，如下：
1 static void
2 enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
3 {
4 /*
5 * Update the normalized vruntime before updating min_vruntime
6 * through calling update_curr().
7 */
8 if (!(flags & ENQUEUE_WAKEUP) || (flags & ENQUEUE_WAKING))
9 se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;
10
11 /*
12 * Update run-time statistics of the 'current'.
13 */
14 /* 更新当前进程运行时间和虚拟运行时间 */
15 update_curr(cfs_rq);
16 enqueue_entity_load_avg(cfs_rq, se, flags & ENQUEUE_WAKEUP);
17 /* 更新cfs_rq队列总权重(就是在原有基础上加上se的权重) */
18 account_entity_enqueue(cfs_rq, se);
19 update_cfs_shares(cfs_rq);
20
21 /* 新建的进程flags为0，不会执行这里 */
22 if (flags & ENQUEUE_WAKEUP) {
23 place_entity(cfs_rq, se, 0);
24 enqueue_sleeper(cfs_rq, se);
25 }
26
27 update_stats_enqueue(cfs_rq, se);
28 check_spread(cfs_rq, se);
29
30 /* 将se插入到运行队列cfs_rq的红黑树中 */
31 if (se != cfs_rq->curr)
32 __enqueue_entity(cfs_rq, se);
33 /* 将se的on_rq标记为1 */
34 se->on_rq = 1;
35
36 /* 如果cfs_rq的队列中只有一个进程，这里做处理 */
37 if (cfs_rq->nr_running == 1) {
38 list_add_leaf_cfs_rq(cfs_rq);
39 check_enqueue_throttle(cfs_rq);
40 }
41 }
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。
