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Linux 內(nèi)核調(diào)度器源碼解析:從調(diào)度入口到挑選下一個進程

系統(tǒng) Linux
本文將深入剖析內(nèi)核中調(diào)度器的代碼實現(xiàn),從入口函數(shù)開始,一步步分析如何選擇下一個要執(zhí)行的進程。

在Linux內(nèi)核中,調(diào)度器(scheduler)扮演著至關重要的角色,決定了哪個進程將獲得CPU的執(zhí)行時間。本文將深入剖析內(nèi)核中調(diào)度器的代碼實現(xiàn),從入口函數(shù)開始,一步步分析如何選擇下一個要執(zhí)行的進程。讓我們一同揭開這個內(nèi)核之謎。

調(diào)度器入口

Linux調(diào)度器入口函數(shù)定義在kernel/sched/core.c中:

asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
{
    // 獲取當前任務結(jié)構體的指針
    struct task_struct *tsk = current;

    // 將任務提交到調(diào)度工作隊列中
    sched_submit_work(tsk);

    // 進入調(diào)度循環(huán),直到?jīng)]有需要被調(diào)度的任務
    do {
        // 禁用搶占
        preempt_disable();
        // 調(diào)用實際的調(diào)度函數(shù) __schedule,并傳入調(diào)度策略參數(shù) SM_NONE
        __schedule(SM_NONE);
        // 啟用搶占,但不進行重新調(diào)度
        sched_preempt_enable_no_resched();
    } while (need_resched()); // 循環(huán)直到?jīng)]有需要重新調(diào)度的任務

    // 更新工作隊列中的任務狀態(tài)
    sched_update_worker(tsk);
}
EXPORT_SYMBOL(schedule);

調(diào)度器的入口函數(shù)是schedule,首先獲取當前任務結(jié)構體的指針,然后將任務提交到調(diào)度工作隊列中,接著進入一個循環(huán),該循環(huán)會禁用搶占,調(diào)用實際的調(diào)度函數(shù)__schedule,并在循環(huán)結(jié)束后啟用搶占。循環(huán)會一直執(zhí)行,直到?jīng)]有需要重新調(diào)度的任務為止。最后,函數(shù)會更新工作隊列中任務的狀態(tài)。函數(shù)最后export導出schedule函數(shù)以供其他部分使用。

static void __sched __schedule(bool preempt)
{
    struct task_struct *prev, *next;
    unsigned long *switch_count;
    struct rq *rq;

    prev = current;
    rq = this_rq();
    switch_count = &prev->nivcsw;

    // 獲取下一個要運行的進程
    next = pick_next_task(rq);

    // 切換到下一個進程
    context_switch(rq, prev, next, switch_count);

    // 如果需要搶占,啟用搶占
    if (preempt)
        need_resched();
}

} 這里,__schedule函數(shù)負責實際的調(diào)度操作。首先,它獲取了當前任務結(jié)構體的指針(prev)、運行隊列(rq)以及切換計數(shù)器(switch_count)。然后,通過調(diào)用pick_next_task函數(shù),它選擇下一個要運行的進程(next)。最后,通過context_switch函數(shù),它進行進程切換,將CPU控制權移交給下一個進程。

具體如何挑選下一個需要運行的進程,就要扒開pick_next_task函數(shù)。

pick_next_task

/*
 * 選擇下一個要運行的任務。
 */
static inline struct task_struct *
__pick_next_task(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf)
{
    const struct sched_class *class; // 定義調(diào)度類指針
    struct task_struct *p; // 定義任務結(jié)構體指針

    // 優(yōu)化:如果前一個任務是公平調(diào)度類中的任務,且運行隊列中的任務數(shù)與CFS隊列中的任務數(shù)相等,
    // 則可以直接選擇下一個公平類任務,因為其他調(diào)度類的任務無法搶占CPU。
    if (likely(!sched_class_above(prev->sched_class, &fair_sched_class) &&
               rq->nr_running == rq->cfs.h_nr_running)) {

        p = pick_next_task_fair(rq, prev, rf); // 選擇下一個公平調(diào)度類任務
        if (unlikely(p == RETRY_TASK)) // 如果選擇任務失敗,需要重新嘗試
            goto restart;

        if (!p) {
            put_prev_task(rq, prev);
            p = pick_next_task_idle(rq); // 如果沒有可運行任務,則選擇下一個空轉(zhuǎn)調(diào)度類任務
        }

        return p;
    }

restart:
    put_prev_task_balance(rq, prev, rf); // 將前一個任務放回隊列,進行重新平衡

    // 遍歷所有調(diào)度類
    for_each_class(class) {
        p = class->pick_next_task(rq); // 選擇下一個任務
        if (p)
            return p;
    }

    BUG(); // 如果沒有可運行任務,引發(fā)BUG??辙D(zhuǎn)類應該始終有可運行的任務。
}

這段代碼是用于選擇下一個要運行的任務的函數(shù)。首先,它檢查是否可以優(yōu)化選擇下一個任務,如果前一個任務是公平調(diào)度類中的任務,并且運行隊列中的任務數(shù)與CFS隊列中的任務數(shù)相等,就可以直接選擇下一個公平調(diào)度類任務。如果選擇任務失敗,會重新嘗試,然后如果沒有可運行任務,將選擇下一個空轉(zhuǎn)調(diào)度類任務。如果不滿足優(yōu)化條件,將會重新平衡隊列,然后遍歷所有的調(diào)度類,選擇下一個任務。如果沒有可運行任務,將引發(fā)BUG,因為空轉(zhuǎn)類應該始終有可運行的任務。


struct task_struct *
pick_next_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf)
{
  struct cfs_rq *cfs_rq = &rq->cfs; // 獲取CFS隊列
  struct sched_entity *se; // 定義調(diào)度實體指針
  struct task_struct *p; // 定義任務結(jié)構體指針
  int new_tasks;

again:
  // 如果沒有可運行的公平調(diào)度任務,跳轉(zhuǎn)到idle標簽
  if (!sched_fair_runnable(rq))
    goto idle;

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
  // 如果沒有前一個任務,或者前一個任務不屬于公平調(diào)度類,跳轉(zhuǎn)到simple標簽
  if (!prev || prev->sched_class != &fair_sched_class)
    goto simple;

  do {
    struct sched_entity *curr = cfs_rq->curr;

    // 如果當前任務存在
    if (curr) {
      // 如果當前任務在隊列上,則更新其運行時間
      if (curr->on_rq)
        update_curr(cfs_rq);
      else
        curr = NULL;

      // 如果CFS隊列的運行時間不正常,跳轉(zhuǎn)到idle標簽
      if (unlikely(check_cfs_rq_runtime(cfs_rq))) {
        cfs_rq = &rq->cfs;

        // 如果沒有可運行任務,跳轉(zhuǎn)到idle標簽
        if (!cfs_rq->nr_running)
          goto idle;

        goto simple;
      }
    }

    // 選擇下一個調(diào)度實體,并切換到相應的CFS隊列
    se = pick_next_entity(cfs_rq, curr);
    cfs_rq = group_cfs_rq(se);
  } while (cfs_rq);

  // 獲取與選定實體關聯(lián)的任務結(jié)構體
  p = task_of(se);

  // 如果前一個任務不等于選定任務,進行任務切換
  if (prev != p) {
    struct sched_entity *pse = &prev->se;

    while (!(cfs_rq = is_same_group(se, pse))) {
      int se_depth = se->depth;
      int pse_depth = pse->depth;

      if (se_depth <= pse_depth) {
        put_prev_entity(cfs_rq_of(pse), pse);
        pse = parent_entity(pse);
      }
      if (se_depth >= pse_depth) {
        set_next_entity(cfs_rq_of(se), se);
        se = parent_entity(se);
      }
    }

    put_prev_entity(cfs_rq, pse);
    set_next_entity(cfs_rq, se);
  }

  goto done;
simple:
#endif
  // 如果有前一個任務,將其放回隊列
  if (prev)
    put_prev_task(rq, prev);

  do {
    // 選擇下一個調(diào)度實體,并切換到相應的CFS隊列
    se = pick_next_entity(cfs_rq, NULL);
    set_next_entity(cfs_rq, se);
    cfs_rq = group_cfs_rq(se);
  } while (cfs_rq);

  // 獲取與選定實體關聯(lián)的任務結(jié)構體
  p = task_of(se);

done: __maybe_unused;

#ifdef CONFIG_SMP
  // 將下一個正在運行的任務移動到隊列的前面
  list_move(&p->se.group_node, &rq->cfs_tasks);
#endif

  // 如果啟用高精度定時器,開始高精度定時
  if (hrtick_enabled_fair(rq))
    hrtick_start_fair(rq, p);

  // 更新不適合運行的任務狀態(tài)
  update_misfit_status(p, rq);

  return p;

idle:
  // 如果沒有rf標志,返回NULL
  if (!rf)
    return NULL;

  // 嘗試進行新的空閑平衡操作
  new_tasks = newidle_balance(rq, rf);

  // 如果新的平衡操作失敗,返回RETRY_TASK標志
  if (new_tasks < 0)
    return RETRY_TASK;

  // 如果有新的可運行任務,回到again標簽重新選擇
  if (new_tasks > 0)
    goto again;

  // 如果隊列即將變?yōu)榭臻e狀態(tài),檢查是否需要更新時鐘pelt的lost_idle_time
  update_idle_rq_clock_pelt(rq);

  return NULL;
}

這個函數(shù)用于選擇下一個要在公平調(diào)度類中運行的任務。函數(shù)中包含了條件判斷和循環(huán),以確保選擇最適合的任務。


/*
 * 選擇下一個調(diào)度實體,考慮以下因素,按照順序:
 * 1) 在進程/任務組之間保持公平性
 * 2) 選擇“下一個”進程,因為某個進程確實希望運行
 * 3) 選擇“上一個”進程,以提高緩存局部性
 * 4) 如果其他任務可用,則不運行“跳過”的進程
 */
static struct sched_entity *
pick_next_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
  struct sched_entity *left = __pick_first_entity(cfs_rq);  // 獲取最左邊的實體
  struct sched_entity *se;

  /*
   * 如果 curr 被設置,我們必須查看它是否位于樹中最左邊的實體的左側(cè),
   * 前提是樹中確實有實體存在。
   */
  if (!left || (curr && entity_before(curr, left)))
    left = curr;

  se = left; /* 理想情況下,我們運行最左邊的實體 */

  /*
   * 避免運行跳過的實體,如果可以不運行其他實體而不會太不公平。
   */
  if (cfs_rq->skip && cfs_rq->skip == se) {
    struct sched_entity *second;

    if (se == curr) {
      second = __pick_first_entity(cfs_rq);  // 獲取最左邊的實體
    } else {
      second = __pick_next_entity(se);  // 獲取下一個實體
      if (!second || (curr && entity_before(curr, second)))
        second = curr;
    }

    if (second && wakeup_preempt_entity(second, left) < 1)
      se = second;
  }

  if (cfs_rq->next && wakeup_preempt_entity(cfs_rq->next, left) < 1) {
    /*
     * 有人確實希望運行這個實體。如果不不公平,就運行它。
     */
    se = cfs_rq->next;
  } else if (cfs_rq->last && wakeup_preempt_entity(cfs_rq->last, left) < 1) {
    /*
     * 更傾向于運行最后一個實體,嘗試將 CPU 返回到一個被搶占的任務。
     */
    se = cfs_rq->last;
  }

  return se;
}
if (se == curr) {
  second = __pick_first_entity(cfs_rq);  // 獲取最左邊的實體
} else {
  second = __pick_next_entity(se);  // 獲取下一個實體
  if (!second || (curr && entity_before(curr, second)))
    second = curr;
}

if (second && wakeup_preempt_entity(second, left) < 1)
  se = second;

return se; } 函數(shù)pick_next_entity的作用是選擇下一個要運行的調(diào)度實體,它根據(jù)一系列因素來決定選擇哪個實體,以確保公平性、滿足任務需求,并盡量提高緩存局部性。

總結(jié)

通過深入分析Linux內(nèi)核調(diào)度器的代碼實現(xiàn),我們了解了調(diào)度器的入口函數(shù)和選擇下一個執(zhí)行進程的過程。這個過程是內(nèi)核多任務處理的核心,確保了系統(tǒng)資源的合理分配。深入理解調(diào)度器的工作原理將有助于我們更好地優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高響應速度。

責任編輯:趙寧寧 來源: 囧囧妹
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