内核的进程管理与调度

时间：2021-02-19 15:46:51

内核的进程管理与调度

不同操作系统下，进程管理与调度的实现和机制有很大不同。对于上层应用（特别是跨平台）的开发，进程管理与调度显得不那么重要；但是，对于贴近操作系统的底层开发，就非常有必要了解Linux中进程的管理与调度

1.进程与线程的本质与实现

  • Linux中，进程就是执行中的程序及其相关的资源与信息（如文件描述符、当前状态等）；而线程就是一种特殊的进程，所谓的多线程程序，其实就是多个共享资源的进程。所以，Linux不区分进程与线程，内核以进程为单位进行调度

内核的进程管理与调度

  • 内核通过一个叫task list（任务队列）的双向链表来维护进程。链表中的节点类型为task_struct俗称进程描述符，里面描述了进程的方方面面如：打开的文件fd，进程代码的地址空间，进程状态state，进程号pid
    内核的进程管理与调度

2.进程的创建

  • 进程之间存在继承关系，每个进程都是由其父进程调用fork()拷贝出来的，而所有进程的祖先，是一个PID为1的init进程，有关init进程详见内核启动阶段kernel_init（init）进程分析
  • 在应用层，我们可以调用API方便的创建进程与线程，在内核中，具体实现过程可以分为两步：“拷贝+加载”
    • 父进程调用fork()，拷贝出一个子进程，即在task list链表中新增了一个节点，该子进程继承了父进程绝大部分内容（除了一些没必要继承的东西，如PID、信号等）
    • 接着调用exec()来将新的可执行代码载入该子进程
  • 此外，我们也可以在内核中创建内核进程，虽然这不是一种值得提倡的做法。内核进程和普通进程一样，可以被调度也可以被抢占，只是它只能在内核中由其他内核进程创建
//调用kthread_run接口来创建内核进程，并立即执行
//该接口是宏，本质是调用kthread_create函数来创建进程，再调用wake_up_process执行进程
#define kthread_run(threadfn, data, namefmt, ...) \
({                                     \
struct task_struct *__k                        \
        = kthread_create(threadfn, data, namefmt, ## __VA_ARGS__); \
if (!IS_ERR(__k))                          \
        wake_up_process(__k);                      \
    __k;                                   \
})
//调用kthread_stop来杀死内核进程
int kthread_stop(struct task_struct *k)

3.进程的状态

进程描述符结构体中的元素state，描述的是进程状态，它可能有5种值

  • TASK_RUNNING：进程正在运行或准备就绪（等待被调度）
  • TASK_INTERRUPTIBLE：进程正在睡眠（发生阻塞），可被信号唤醒
  • TASK_UNINTERRUPTIBLE：进程正在睡眠（发生阻塞），不可被信号唤醒，只能自己醒过来
  • __TASK_STOPPED：进程处于僵死态（刚被杀死），相关资源已被释放，但是父进程暂未将PID、进程描述符等内容释放

  • __TASK_TRACED：被其他进程追踪（被调试）
    内核的进程管理与调度

  • 值得注意的是，若父进程比子进程先退出，那么子进程可能会成为“孤儿进程”，无法正常退出（处于僵死态而无人释放）。此时，系统会自动为“孤儿进程”指定其他进程作为“养父”，保证了不会出现“孤儿进程”

4.内核的调度系统

多任务系统可以分为抢占式和非抢占式。大部分操作系统（包括Linux）都采用了抢占式，所谓抢占式，就是：调度器可以随意挂起运行中的进程，转而去执行另一个更重要的进程

进程的调度需求

  • 进程主要分为两类：I/O消耗型和处理器消耗型

    • I/O消耗型进程：此类进程大部分时间花在了I/O上，它们总是需要被执行，但是需要的运算量却不大，没有I/O时便处于阻塞状态。人机交互、信号处理等属于此类程序
    • 处理器消耗型进程：此类进程需要进行大量的计算，它们最好不停的在运行，除非被强占。视频解码、科学计算等属于此类程序

  • Linux2.6.23中，采用的调度算法为CFS（完全公平调度算法）。该算法会智能的判断进程的情况来进行调度，可以说真正的达到了完全公平调度

进程优先级

Linux中采用两种优先级，它们都能进行手工设置

  • nice值：nice值是Unix的标准化概念，范围为-20到19，默认为0。nice值越大，优先级越低（类似于人越nice，就越好欺负）。输入ps -el，标记NI的那一列便是nice值。我们可以使用如下API设置nice值
nice()
  • 实时优先级：实时优先级是Unix的标准化概念，范围为0到99。该属性是实时进程专有的，实时优先级越大，优先级越高。输入ps -eo state,pid,rtprio,comm，标记RTPRIO的那一列便是实时优先级，若显示“-”，则说明它不是实时进程。我们可以使用如下API设置实时优先级
sched_setparam()

内核抢占

  • Linux2.6之后支持了内核抢占，也就是说，内核代码可能随时被打断，除非那段代码持有了锁
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