linux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

int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
{
    unsigned long flags;
    /* 获取当前CPU，并且禁止抢占 */
    int cpu = get_cpu();

    /* 初始化跟调度相关的值，比如调度实体，运行时间等 */
    __sched_fork(clone_flags, p);
    /*
     * 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
     */
    p->state = TASK_RUNNING;

    /*
     * 根据父进程的运行优先级设置设置进程的优先级
     */
    p->prio = current->normal_prio;

    /*
     * 更新该进程优先级
     */
    /* 如果需要重新设置优先级 */
    if (unlikely(p->sched_reset_on_fork)) {
        /* 如果是dl调度或者实时调度 */
        if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p)) {
            /* 调度策略为SCHED_NORMAL，这个选项将使用CFS调度 */
            p->policy = SCHED_NORMAL;
            /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
            /* 实时优先级为0 */
            p->rt_priority = 0;
        } else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)
            /* 根据默认nice值设置静态优先级 */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);

        /* p->prio = p->normal_prio = p->static_prio */
        p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p);
        /* 设置进程权重 */
        set_load_weight(p);

         /* sched_reset_on_fork成员在之后已经不需要使用了，直接设为0 */
        p->sched_reset_on_fork = 0;
    }

    if (dl_prio(p->prio)) {
        /* 使能抢占 */
        put_cpu();
        /* 返回错误 */
        return -EAGAIN;
    } else if (rt_prio(p->prio)) {
        /* 根据优先级判断，如果是实时进程，设置其调度类为rt_sched_class */
        p->sched_class = &rt_sched_class;
    } else {
        /* 如果是普通进程，设置其调度类为fair_sched_class */
        p->sched_class = &fair_sched_class;
    }
    /* 调用调用类的task_fork函数 */
    if (p->sched_class->task_fork)
        p->sched_class->task_fork(p);

    /*
     * The child is not yet in the pid-hash so no cgroup attach races,
     * and the cgroup is pinned to this child due to cgroup_fork()
     * is ran before sched_fork().
     *
     * Silence PROVE_RCU.
     */
    raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
    /* 设置新进程的CPU为当前CPU */
    set_task_cpu(p, cpu);
    raw_spin_unlock_irqrestore(&p->pi_lock, flags);

#if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
    if (likely(sched_info_on()))
        memset(&p->sched_info, 0, sizeof(p->sched_info));
#endif
#if defined(CONFIG_SMP)
    p->on_cpu = 0;
#endif
    /* task_thread_info(p)->preempt_count = PREEMPT_DISABLED; */
    /* 初始化该进程为内核禁止抢占 */
    init_task_preempt_count(p);
#ifdef CONFIG_SMP
    plist_node_init(&p->pushable_tasks, MAX_PRIO);
    RB_CLEAR_NODE(&p->pushable_dl_tasks);
#endif
    /* 使能抢占 */
    put_cpu();
    return 0;
}

 　　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：

static void task_fork_fair(struct task_struct *p)
{
    struct cfs_rq *cfs_rq;

    /* 进程p的调度实体se */
    struct sched_entity *se = &p->se, *curr;

    /* 获取当前CPU */
    int this_cpu = smp_processor_id();

    /* 获取此CPU的运行队列 */
    struct rq *rq = this_rq();
    unsigned long flags;

    /* 上锁并保存中断记录 */
    raw_spin_lock_irqsave(&rq->lock, flags);

    /* 更新rq运行时间 */
    update_rq_clock(rq);

    /* cfs_rq = current->se.cfs_rq; */
    cfs_rq = task_cfs_rq(current);

    /* 设置当前进程所在队列为父进程所在队列 */
    curr = cfs_rq->curr;

    /*
     * Not only the cpu but also the task_group of the parent might have
     * been changed after parent->se.parent,cfs_rq were copied to
     * child->se.parent,cfs_rq. So call __set_task_cpu() to make those
     * of child point to valid ones.
     */
    rcu_read_lock();
    /* 设置此进程所属CPU */
    __set_task_cpu(p, this_cpu);
    rcu_read_unlock();

    /* 更新当前进程运行时间 */
    update_curr(cfs_rq);

    if (curr)
        /* 将父进程的虚拟运行时间赋给了新进程的虚拟运行时间 */
        se->vruntime = curr->vruntime;
    /* 调整了se的虚拟运行时间 */
    place_entity(cfs_rq, se, 1);

    if (sysctl_sched_child_runs_first && curr && entity_before(curr, se)) {
        /*
         * Upon rescheduling, sched_class::put_prev_task() will place
         * 'current' within the tree based on its new key value.
         */
        swap(curr->vruntime, se->vruntime);
        resched_curr(rq);
    }

    /* 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) */
    se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;

    /* 解锁，还原中断记录 */
    raw_spin_unlock_irqrestore(&rq->lock, flags);
}

　　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：

void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
{
    unsigned long flags;
    struct rq *rq;

    raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
#ifdef CONFIG_SMP
    /*
     * Fork balancing, do it here and not earlier because:
     * - cpus_allowed can change in the fork path
     * - any previously selected cpu might disappear through hotplug
     */
     /* 为进程选择一个合适的CPU */
    set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));
#endif

    /* Initialize new task's runnable average */
    /* 这里是跟多核负载均衡有关 */
    init_task_runnable_average(p);
    /* 上锁 */
    rq = __task_rq_lock(p);
    /* 将进程加入到CPU的运行队列 */
    activate_task(rq, p, 0);
    /* 标记进程p处于队列中 */
    p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
    /* 跟调试有关 */
    trace_sched_wakeup_new(p, true);
    /* 检查是否需要切换当前进程 */
    check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
#ifdef CONFIG_SMP
    if (p->sched_class->task_woken)
        p->sched_class->task_woken(rq, p);
#endif
    task_rq_unlock(rq, p, &flags);
}

　　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()：

static void
enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
    struct cfs_rq *cfs_rq;
    struct sched_entity *se = &p->se;

    /* 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 */
    for_each_sched_entity(se) {
        if (se->on_rq)
            break;
        /* 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
         * 如果是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED，获取其所在的cfs_rq运行队列
         */
        cfs_rq = cfs_rq_of(se);
        /* 加入到队列中 */
        enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);

        /*
         * end evaluation on encountering a throttled cfs_rq
         *
         * note: in the case of encountering a throttled cfs_rq we will
         * post the final h_nr_running increment below.
        */
        if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
            break;
        cfs_rq->h_nr_running++;

        flags = ENQUEUE_WAKEUP;
    }

    /* 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 */
    for_each_sched_entity(se) {
        cfs_rq = cfs_rq_of(se);
        cfs_rq->h_nr_running++;

        if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
            break;

        update_cfs_shares(cfs_rq);
        update_entity_load_avg(se, 1);
    }

    if (!se) {
        update_rq_runnable_avg(rq, rq->nr_running);
        /* 当前CPU运行队列活动进程数 + 1 */
        add_nr_running(rq, 1);
    }
    /* 设置下次调度中断发生时间 */
    hrtick_update(rq);
}

　　在enqueue_task_fair()函数中又使用了enqueue_entity()函数进行操作，如下：

static void
enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
{
    /*
     * Update the normalized vruntime before updating min_vruntime
     * through calling update_curr().
     */
    if (!(flags & ENQUEUE_WAKEUP) || (flags & ENQUEUE_WAKING))
        se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;

    /*
     * Update run-time statistics of the 'current'.
     */
    /* 更新当前进程运行时间和虚拟运行时间 */
    update_curr(cfs_rq);
    enqueue_entity_load_avg(cfs_rq, se, flags & ENQUEUE_WAKEUP);
    /* 更新cfs_rq队列总权重(就是在原有基础上加上se的权重) */
    account_entity_enqueue(cfs_rq, se);
    update_cfs_shares(cfs_rq);

    /* 新建的进程flags为0，不会执行这里 */
    if (flags & ENQUEUE_WAKEUP) {
        place_entity(cfs_rq, se, 0);
        enqueue_sleeper(cfs_rq, se);
    }

    update_stats_enqueue(cfs_rq, se);
    check_spread(cfs_rq, se);

    /* 将se插入到运行队列cfs_rq的红黑树中 */
    if (se != cfs_rq->curr)
        __enqueue_entity(cfs_rq, se);
    /* 将se的on_rq标记为1 */
    se->on_rq = 1;

    /* 如果cfs_rq的队列中只有一个进程，这里做处理 */
    if (cfs_rq->nr_running == 1) {
        list_add_leaf_cfs_rq(cfs_rq);
        check_enqueue_throttle(cfs_rq);
    }
}

 

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。