[Pthread] Linux上的Idle进程

当使用top等工具查看系统运行情况的时候，会知道当前(准确地说是过去的几秒钟内)处理器的利用率有多少。用户态占了多少，核心态占了多少，idle占了多少。我们通常把idle就视为系统空闲，但是这个"空闲"到底代表什么意思？接下来我们探讨一下。

1. idle是什么
    简单的说idle是一个进程，其pid号为0。其前身是系统创建的第一个进程，也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。在smp系统中，每个处理器单元有独立的一个运行队列，而每个运行队列上又有一个idle进程，即有多少处理器单元，就有多少idle进程。系统的空闲时间，其实就是指idle进程的"运行时间"。既然是idle是进程，那我们来看看idle是如何被创建，又具体做了哪些事情？
   
2. idle的创建
    我们知道系统是从BIOS加电自检，载入MBR中的引导程序(LILO/GRUB),再加载linux内核开始运行的，一直到指定shell开始运行告一段落，这时用户开始操作Linux。而大致是在vmlinux的入口startup_32(head.S)中为pid号为0的原始进程设置了执行环境，然后原是进程开始执行start_kernel()完成Linux内核的初始化工作。包括初始化页表，初始化中断向量表，初始化系统时间等。继而调用fork(),创建第一个用户进程:
    kernel_thread(init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);
    这个进程就是著名的pid为1的init进程，它会继续完成剩下的初始化工作，然后execve(/sbin/init), 成为系统中的其他所有进程的祖先。关于init我们这次先不研究，回过头来看pid=0的进程，在创建了init进程后，pid=0的进程调用cpu_idle()演变成了idle进程。
   
    在smp系统中，除了上面刚才我们讲的主处理器(执行初始化工作的处理器)上idle进程的创建，还有从处理器(被主处理器activate的处理器)上的idle进程，他们又是怎么创建的呢？接着看init进程，init在演变成/sbin/init之前，会执行一部分初始化工作，其中一个就是smp_prepare_cpus()，初始化SMP处理器，在这过程中会在处理每个从处理器时调用
    task = copy_process(CLONE_VM, 0, idle_regs(&regs), 0, NULL, NULL, 0);
    init_idle(task, cpu);
    即从init中复制出一个进程，并把它初始化为idle进程(pid仍然为0)。从处理器上的idle进程会进行一些Activate工作，然后执行cpu_idle()。
   
    整个过程简单的说就是，原始进程(pid=0)创建init进程(pid=1),然后演化成idle进程(pid=0)。init进程为每个从处理器(运行队列)创建出一个idle进程(pid=0)，然后演化成/sbin/init。
   
3. idle的运行时机
    idle进程优先级为MAX_PRIO，即最低优先级。早先版本中，idle是参与调度的，所以将其优先级设为最低，当没有其他进程可以运行时，才会调度执行idle。而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度，而是在运行队列结构中含idle指针，指向idle进程，在调度器发现运行队列为空的时候运行，调入运行。
   
4. idle的workload
    从上面的分析我们可以看出，idle在系统没有其他就绪的进程可执行的时候才会被调度。不管是主处理器，还是从处理器，最后都是执行的cpu_idle()函数。所以我们来看看cpu_idle做了什么事情。
    因为idle进程中并不执行什么有意义的任务，所以通常考虑的是两点：1.节能，2.低退出延迟。
    其核心代码如下：
    while (!need_resched()) {
        idle();
    }
    循环判断need_resched以降低退出延迟，用idle()来节能。
    默认的idle实现是hlt指令，hlt指令使CPU处于暂停状态，等待硬件中断发生的时候恢复，从而达到节能的目的。即从处理器C0态变到C1态(见ACPI标准)。这也是早些年windows平台上各种"处理器降温"工具的主要手段。当然idle也可以是在别的ACPI或者APM模块中定义的，甚至是自定义的一个idle(比如说nop)。
   
小结:
    1.idle是一个进程，其pid为0。
    2.主处理器上的idle由原始进程(pid=0)演变而来。从处理器上的idle由init进程fork得到，但是它们的pid都为0。
    3.Idle进程为最低优先级，且不参与调度，只是在运行队列为空的时候才被调度。
    4.Idle循环等待need_resched置位。默认使用hlt节能。

Pthread 07/12/31