进程切换有自愿(Voluntary)和强制(Involuntary)之分,在前文中详细解释了两者的不同,简单来说,自愿切换意味着进程需要等待某种资源,强制切换则与抢占(Preemption)有关。
抢占(Preemption)是指内核强行切换正在CPU上运行的进程,在抢占的过程中并不需要得到进程的配合,在随后的某个时刻被抢占的进程还可以恢复运行。发生抢占的原因主要有:进程的时间片用完了,或者优先级更高的进程来争夺CPU了。
抢占的过程分两步,第一步触发抢占,第二步执行抢占,这两步中间不一定是连续的,有些特殊情况下甚至会间隔相当长的时间:
- 触发抢占:给正在CPU上运行的当前进程设置一个请求重新调度的标志(TIF_NEED_RESCHED),仅此而已,此时进程并没有切换。
- 执行抢占:在随后的某个时刻,内核会检查TIF_NEED_RESCHED标志并调用schedule()执行抢占。
抢占只在某些特定的时机发生,这是内核的代码决定的。
触发抢占的时机
每个进程都包含一个TIF_NEED_RESCHED标志,内核根据这个标志判断该进程是否应该被抢占,设置TIF_NEED_RESCHED标志就意味着触发抢占。
直接设置TIF_NEED_RESCHED标志的函数是 set_tsk_need_resched();
触发抢占的函数是resched_task()。
TIF_NEED_RESCHED标志什么时候被设置呢?在以下时刻:
- 周期性的时钟中断
时钟中断处理函数会调用scheduler_tick(),这是调度器核心层(scheduler core)的函数,它通过调度类(scheduling class)的task_tick方法 检查进程的时间片是否耗尽,如果耗尽则触发抢占:
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|
void
scheduler_tick
(
void
)
{
.
.
.
curr
->
sched_class
->
task_tick
(
rq
,
curr
,
0
)
;
.
.
.
}
|
Linux的进程调度是模块化的,不同的调度策略比如CFS、Real-Time被封装成不同的调度类,每个调度类都可以实现自己的task_tick方法,调度器核心层根据进程所属的调度类调用对应的方法,比如CFS对应的是task_tick_fair,Real-Time对应的是task_tick_rt,每个调度类对进程的时间片都有不同的定义。
- 唤醒进程的时候
当进程被唤醒的时候,如果优先级高于CPU上的当前进程,就会触发抢占。相应的内核代码中,try_to_wake_up()最终通过check_preempt_curr()检查是否触发抢占。
- 新进程创建的时候
如果新进程的优先级高于CPU上的当前进程,会触发抢占。相应的调度器核心层代码是sched_fork(),它再通过调度类的 task_fork方法触发抢占:
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|
int
sched_fork
(
unsigned
long
clone_flags
,
struct
task_struct
*
p
)
{
.
.
.
if
(
p
->
sched_class
->
task_fork
)
p
->
sched_class
->
task_fork
(
p
)
;
.
.
.
}
|
- 进程修改nice值的时候
如果进程修改nice值导致优先级高于CPU上的当前进程,也会触发抢占。内核代码参见 set_user_nice()。
- 进行负载均衡的时候
在多CPU的系统上,进程调度器尽量使各个CPU之间的负载保持均衡,而负载均衡操作可能会需要触发抢占。
不同的调度类有不同的负载均衡算法,涉及的核心代码也不一样,比如CFS类在load_balance()中触发抢占:
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|
load_balance
(
)
{
.
.
.
move_tasks
(
)
;
.
.
.
resched_cpu
(
)
;
.
.
.
}
|
RT类的负载均衡基于overload,如果当前运行队列中的RT进程超过一个,就调用push_rt_task()把进程推给别的CPU,在这里会触发抢占。
执行抢占的时机
触发抢占通过设置进程的TIF_NEED_RESCHED标志告诉调度器需要进行抢占操作了,但是真正执行抢占还要等内核代码发现这个标志才行,而内核代码只在设定的几个点上检查TIF_NEED_RESCHED标志,这也就是执行抢占的时机。
抢占如果发生在进程处于用户态的时候,称为User Preemption(用户态抢占);如果发生在进程处于内核态的时候,则称为Kernel Preemption(内核态抢占)。
执行User Preemption(用户态抢占)的时机
- 从系统调用(syscall)返回用户态时;12345678910源文件: arch / x86 / kernel / entry _64 . Ssysret_careful :bt $ TIF _ NEED _ RESCHED , %edxjnc sysret _ signalTRACE_IRQS_ONENABLE_INTERRUPTS ( CLBR _ NONE )pushq_cfi %rdicall schedulepopq_cfi %rdijmp sysret _ check
- 从中断返回用户态时。12345678910111213retint_careful :CFI_RESTORE_STATEbt $ TIF _ NEED _ RESCHED , %edxjnc retint _ signalTRACE_IRQS_ONENABLE_INTERRUPTS ( CLBR _ NONE )pushq_cfi %rdicall schedulepopq_cfi %rdiGET_THREAD_INFO ( %rcx )DISABLE_INTERRUPTS ( CLBR _ NONE )TRACE_IRQS_OFFjmp retint _ check
执行Kernel Preemption(内核态抢占)的时机
Linux在2.6版本之后就支持内核抢占了,但是请注意,具体取决于内核编译时的选项:
- CONFIG_PREEMPT_NONE=y
不允许内核抢占。这是SLES的默认选项。 - CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY=y
在一些耗时较长的内核代码中主动调用cond_resched()让出CPU。这是RHEL的默认选项。 - CONFIG_PREEMPT=y
允许完全内核抢占。
在 CONFIG_PREEMPT=y 的前提下,内核态抢占的时机是:
- 中断处理程序返回内核空间之前会检查TIF_NEED_RESCHED标志,如果置位则调用preempt_schedule_irq()执行抢占。preempt_schedule_irq()是对schedule()的包装。12345678910111213# ifdef CONFIG _ PREEMPT/ * Returning to kernel space . Check if we need preemption * // * rcx : threadinfo . interrupts off . * /ENTRY ( retint _ kernel )cmpl $0 , TI _ preempt _ count ( %rcx )jnz retint _ restore _ argsbt $ TIF _ NEED _ RESCHED , TI _ flags ( %rcx )jnc retint _ restore _ argsbt $9 , EFLAGS - ARGOFFSET ( %rsp ) / * interrupts off ? * /jnc retint _ restore _ argscall preempt _ schedule _ irqjmp exit _ intr# endif
- 当内核从non-preemptible(禁止抢占)状态变成preemptible(允许抢占)的时候;
在preempt_enable()中,会最终调用 preempt_schedule 来执行抢占。preempt_schedule()是对schedule()的包装。
转自http://linuxperf.com/?p=211