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2012-03-14 07:09:39

为什么要了解内核的调度策略呢?呵呵,因为它值得我们学习,不算是废话吧。内核调度程序很先进很强大,管理你的LINUX上跑的大量的乱七八糟的进程,同时还保持着对用户操作的高灵敏响应,如果可能,为什么不把这种思想放到自己的应用程序里呢?或者,有没有可能更好的实现自己的应用,使得操作系统能够以自己的意志来分配资源给自己的进程?



带着这两个问题来看看KERNEL。首先回顾上我们开发应用程序,基本上就两种类型,1、IO消耗型:比如hadoop上的trunk服务,很明显它的消耗主要在IO上,包括网络IO磁盘IO等等。2、CPU消耗型,比如mapreduce或者其他的需要对大量数据进行计算处理的组件,就象对高清视频压缩成适合手机观看分辨率的进程,他们的消耗主要在CPU上。当两类进程都在一台SERVER上运行时,操作系统会如何调度它们呢?现在的服务器都是SMP多核的,那么一个进程在多CPU时会来回切换吗?如果我有一个程序,既有IO消耗又有CPU消耗,怎么让多核更好的调度我的程序呢?


又多了几个问题。来看看内核调度程序吧,我们先从它的优先队列谈起吧。调度程序代码就在内核源码的kernel/sched.c的schedule函数中。
首先看下面的优先级队列,每一个runqueue都有。runqueue是什么?下面会详细说下,现在大家可以理解为,内核为每一颗CPU分配了一个runqueue,用于维护这颗CPU可以运行的进程。runqueue里,有几个成员是prio_array类型,这个东东就是优先队列,先看看它的定义:
  1. struct prio_array {  
  2.     unsigned int nr_active;    表示等待执行的进程总数  
  3.     unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE];    一个unsigned long在内核中只有32位哈,大家要跟64位OS上的C程序中的long区分开,那个是64位的。那么这个bitmap是干什么的呢?它是用位的方式,表示某个优先级上有没有待处理的队列,是实现快速找到最高待处理优先进程的关键。如果我定义了四种优先级,我只需要四位就能表示某个优先级上有没有进程要运行,例如优先级是2和3上有进程,那么就应该是0110.......非常省空间,效率也快,不是吗?  
  4.     struct list_head queue[MAX_PRIO];     与上面的bitmap是对应的,它存储所有等待运行的进程。  
  5. };  


看看BITMAP_SIZE是怎么算出来的:#define BITMAP_SIZE ((((MAX_PRIO+1+7)/8)+sizeof(long)-1)/sizeof(long))
那么,LINUX默认配置(如果你用默认选项编译内核的话)MAX_PRIO是140,就是说一共内核对进程一共定义了140种优先级。等待某个CPU来处理的进程中,可能包含许多种优先级的进程,但,LINUX是个抢占式调度算法的操作系统,就是说,需要调度时一定是找到最高优先级的进程执行。上面的BITMAP_SIZE值根据MAX_PRIO算出来为5,那么bitmap实际是32*5=160位,这样就包含了MAX_PRIO的140位。优先级队列是怎么使用的?看2649行代码:idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);这个方法就用来快速的找到优先级最高的队列。看看它的实现可以方便我们理解这个优先级位的设计:
  1. static inline int sched_find_first_bit(unsigned long *b)  
  2. {  
  3.     if (unlikely(b[0]))  
  4.         return __ffs(b[0]);  
  5.     if (unlikely(b[1]))  
  6.         return __ffs(b[1]) + 32;  
  7.     if (unlikely(b[2]))  
  8.         return __ffs(b[2]) + 64;  
  9.     if (b[3])  
  10.         return __ffs(b[3]) + 96;  
  11.     return __ffs(b[4]) + 128;  
  12. }  

那么__ffs是干什么的?
  1. static inline int __ffs(int x)  
  2. {  
  3.     int r = 0;  
  4.   
  5.     if (!x)  
  6.         return 0;  
  7.     if (!(x & 0xffff)) {  
  8.         x >>= 16;  
  9.         r += 16;  
  10.     }  
  11.     if (!(x & 0xff)) {  
  12.         x >>= 8;  
  13.         r += 8;  
  14.     }  
  15.     if (!(x & 0xf)) {  
  16.         x >>= 4;  
  17.         r += 4;  
  18.     }  
  19.     if (!(x & 3)) {  
  20.         x >>= 2;  
  21.         r += 2;  
  22.     }  
  23.     if (!(x & 1)) {  
  24.         x >>= 1;  
  25.         r += 1;  
  26.     }  
  27.     return r;  
  28. }  

sched_find_first_bit返回值就是最高优先级所在队列的序号,与queue是对应使用的哈,queue = array->queue + idx;这样就取到了要处理的进程队列。这个设计在查找优先级时是非常快的,非常值得我们学习。


好,优先级队列搞明白了,现在来看看runqueue,每个runqueue包含三个优先级队列。
  1. struct runqueue {  
  2.     spinlock_t lock;   这是个自旋锁,nginx里解决惊群现象时也是用这个。与普通锁的区别就是,使用普通锁时,你去试图拿一把锁,结果发现已经被别人拿走了,你就在那睡觉,等别人锁用完了叫你起来。所以如果有一个人拿住锁了,一百个人都在门前睡觉等。当之前的人用完锁回来后,会叫醒所有100个等锁的人,然后这些人开始互相抢,抢到的人拿锁进去,其他的人继续等。自旋锁不同,当他去拿锁发现锁被别人拿走了,他在那不睡觉的等,稍打个盹就看看自己主动看看锁有没有还回来。大家比较出优劣了吗?  
  3.   
  4.   
  5.     /* 
  6.      * nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because 
  7.      * remote CPUs use both these fields when doing load calculation. 
  8.      */  
  9.     unsigned long nr_running;  
  10. #ifdef CONFIG_SMP  
  11.     unsigned long cpu_load;  
  12. #endif  
  13.     unsigned long long nr_switches;  
  14.   
  15.   
  16.     /* 
  17.      * This is part of a global counter where only the total sum 
  18.      * over all CPUs matters. A task can increase this counter on 
  19.      * one CPU and if it got migrated afterwards it may decrease 
  20.      * it on another CPU. Always updated under the runqueue lock: 
  21.      */  
  22.     unsigned long nr_uninterruptible;  
  23.   
  24.   
  25.     unsigned long expired_timestamp;  
  26.     unsigned long long timestamp_last_tick;  
  27.     task_t *curr, *idle;  
  28.     struct mm_struct *prev_mm;  
  29.     prio_array_t *active, *expired, arrays[2];上面说了半天的优先级队列在这里,但是在runqueue里,为什么不只一个呢?这个在下面讲。  
  30.     int best_expired_prio;  
  31.     atomic_t nr_iowait;  
  32.     ... ...  
  33. };  

LINUX是一个时间多路复用的系统,就是说,通过把CPU执行时间分成许多片,再分配给进程们使用,造成即使单CPU系统,也貌似允许多个任务在同时执行。那么,时间片大小假设为100ms,过短过长,过长了有些不灵敏,过短了,连切换进程时可能都要消耗几毫秒的时间。分给100个进程执行,在所有进程都用完自己的时间片后,需要重新给所有的进程重新分配时间片,怎么分配呢?for循环遍历所有的run状态进程,重设时间片?这个性能无法容忍!太慢了,跟当前系统进程数相关。那么2.6内核怎么做的呢?它用了上面提到的两个优先级队列active和expired,顾名思义,active是还有时间片的进程队列,而expired是时间片耗尽必须重新分配时间片的进程队列。


这么设计的好处就是不用再循环一遍所有进程重设时间片了,看看调度函数是怎么玩的:
  1. array = rq->active;  
  2. if (unlikely(!array->nr_active)) {  
  3.     /* 
  4.      * Switch the active and expired arrays. 
  5.      */  
  6.     schedstat_inc(rq, sched_switch);  
  7.     rq->active = rq->expired;  
  8.     rq->expired = array;  
  9.     array = rq->active;  
  10.     rq->expired_timestamp = 0;  
  11.     rq->best_expired_prio = MAX_PRIO;  
  12. else  
  13.     schedstat_inc(rq, sched_noswitch);  


当所有运行进程的时间片都用完时,就把active和expired队列互换指针,没有遍历哦,而时间片耗尽的进程在出acitve队列入expired队列时,已经单独的重新分配好新时间片了。


再看一下schedule(void)调度函数,当某个进程休眠或者被抢占时,系统就开始调试schedule(void)决定接下来运行哪个进程。上面说过的东东都在这个函数里有体现哈。
  1. asmlinkage void __sched schedule(void)  
  2. {  
  3.     long *switch_count;  
  4.     task_t *prev, *next;  
  5.     runqueue_t *rq;  
  6.     prio_array_t *array;  
  7.     struct list_head *queue;  
  8.     unsigned long long now;  
  9.     unsigned long run_time;  
  10.     int cpu, idx;  
  11.   
  12.   
  13.     /* 
  14.      * Test if we are atomic.  Since do_exit() needs to call into 
  15.      * schedule() atomically, we ignore that path for now. 
  16.      * Otherwise, whine if we are scheduling when we should not be. 
  17.      */  
  18.     if (likely(!(current->exit_state & (EXIT_DEAD | EXIT_ZOMBIE)))) {先看看当前运行进程的状态  
  19.         if (unlikely(in_atomic())) {  
  20.             printk(KERN_ERR "scheduling while atomic: "  
  21.                 "%s/0x%08x/%d\n",  
  22.                 current->comm, preempt_count(), current->pid);  
  23.             dump_stack();  
  24.         }  
  25.     }  
  26.     profile_hit(SCHED_PROFILING, __builtin_return_address(0));  
  27.   
  28.   
  29. need_resched:  
  30.     preempt_disable();  
  31.     prev = current;  
  32.     release_kernel_lock(prev);  
  33. need_resched_nonpreemptible:  
  34.     rq = this_rq();      这行找到这个CPU对应的runqueue,再次强调,每个CPU有一个自己的runqueue  
  35.   
  36.   
  37.     /* 
  38.      * The idle thread is not allowed to schedule! 
  39.      * Remove this check after it has been exercised a bit. 
  40.      */  
  41.     if (unlikely(current == rq->idle) && current->state != TASK_RUNNING) {  
  42.         printk(KERN_ERR "bad: scheduling from the idle thread!\n");  
  43.         dump_stack();  
  44.     }  
  45.   
  46.   
  47.     schedstat_inc(rq, sched_cnt);  
  48.     now = sched_clock();  
  49.     if (likely(now - prev->timestamp < NS_MAX_SLEEP_AVG))  
  50.         run_time = now - prev->timestamp;  
  51.     else  
  52.         run_time = NS_MAX_SLEEP_AVG;  
  53.   
  54.   
  55.     /* 
  56.      * Tasks with interactive credits get charged less run_time 
  57.      * at high sleep_avg to delay them losing their interactive 
  58.      * status 
  59.      */  
  60.     if (HIGH_CREDIT(prev))  
  61.         run_time /= (CURRENT_BONUS(prev) ? : 1);  
  62.   
  63.   
  64.     spin_lock_irq(&rq->lock);  
  65.   
  66.   
  67.     if (unlikely(current->flags & PF_DEAD))  
  68.         current->state = EXIT_DEAD;  
  69.     /* 
  70.      * if entering off of a kernel preemption go straight 
  71.      * to picking the next task. 
  72.      */  
  73.     switch_count = &prev->nivcsw;  
  74.     if (prev->state && !(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) {  
  75.         switch_count = &prev->nvcsw;  
  76.         if (unlikely((prev->state & TASK_INTERRUPTIBLE) &&  
  77.                 unlikely(signal_pending(prev))))  
  78.             prev->state = TASK_RUNNING;  
  79.         else {  
  80.             if (prev->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE)  
  81.                 rq->nr_uninterruptible++;  
  82.             deactivate_task(prev, rq);  
  83.         }  
  84.     }  
  85.   
  86.   
  87.     cpu = smp_processor_id();  
  88.     if (unlikely(!rq->nr_running)) {  
  89. go_idle:  
  90.         idle_balance(cpu, rq);  
  91.         if (!rq->nr_running) {  
  92.             next = rq->idle;  
  93.             rq->expired_timestamp = 0;  
  94.             wake_sleeping_dependent(cpu, rq);  
  95.             /* 
  96.              * wake_sleeping_dependent() might have released 
  97.              * the runqueue, so break out if we got new 
  98.              * tasks meanwhile: 
  99.              */  
  100.             if (!rq->nr_running)  
  101.                 goto switch_tasks;  
  102.         }  
  103.     } else {  
  104.         if (dependent_sleeper(cpu, rq)) {  
  105.             next = rq->idle;  
  106.             goto switch_tasks;  
  107.         }  
  108.         /* 
  109.          * dependent_sleeper() releases and reacquires the runqueue 
  110.          * lock, hence go into the idle loop if the rq went 
  111.          * empty meanwhile: 
  112.          */  
  113.         if (unlikely(!rq->nr_running))  
  114.             goto go_idle;  
  115.     }  
  116.   
  117.   
  118.     array = rq->active;  
  119.     if (unlikely(!array->nr_active)) {       上面说过的,需要重新计算时间片时,就用已经计算好的expired队列了  
  120.         /* 
  121.          * Switch the active and expired arrays. 
  122.          */  
  123.         schedstat_inc(rq, sched_switch);  
  124.         rq->active = rq->expired;  
  125.         rq->expired = array;  
  126.         array = rq->active;  
  127.         rq->expired_timestamp = 0;  
  128.         rq->best_expired_prio = MAX_PRIO;  
  129.     } else  
  130.         schedstat_inc(rq, sched_noswitch);  
  131.   
  132.   
  133.     idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);         找到优先级最高的队列  
  134.     queue = array->queue + idx;  
  135.     next = list_entry(queue->next, task_t, run_list);  
  136.   
  137.   
  138.     if (!rt_task(next) && next->activated > 0) {  
  139.         unsigned long long delta = now - next->timestamp;  
  140.   
  141.   
  142.         if (next->activated == 1)  
  143.             delta = delta * (ON_RUNQUEUE_WEIGHT * 128 / 100) / 128;  
  144.   
  145.   
  146.         array = next->array;  
  147.         dequeue_task(next, array);  
  148.         recalc_task_prio(next, next->timestamp + delta);  
  149.         enqueue_task(next, array);  
  150.     }  
  151.     next->activated = 0;  
  152. switch_tasks:  
  153.     if (next == rq->idle)  
  154.         schedstat_inc(rq, sched_goidle);  
  155.     prefetch(next);  
  156.     clear_tsk_need_resched(prev);  
  157.     rcu_qsctr_inc(task_cpu(prev));  
  158.   
  159.   
  160.     prev->sleep_avg -= run_time;  
  161.     if ((long)prev->sleep_avg <= 0) {  
  162.         prev->sleep_avg = 0;  
  163.         if (!(HIGH_CREDIT(prev) || LOW_CREDIT(prev)))  
  164.             prev->interactive_credit--;  
  165.     }  
  166.     prev->timestamp = prev->last_ran = now;  
  167.   
  168.   
  169.     sched_info_switch(prev, next);  
  170.     if (likely(prev != next)) {              表面现在正在执行的进程,不是选出来的优先级最高的进程  
  171.         next->timestamp = now;  
  172.         rq->nr_switches++;  
  173.         rq->curr = next;  
  174.         ++*switch_count;  
  175.   
  176.   
  177.         prepare_arch_switch(rq, next);  
  178.         prev = context_switch(rq, prev, next);              所以需要完成进程上下文切换,把之前的进程信息CACHE住  
  179.         barrier();  
  180.   
  181.   
  182.         finish_task_switch(prev);  
  183.     } else  
  184.         spin_unlock_irq(&rq->lock);  
  185.   
  186.   
  187.     prev = current;  
  188.     if (unlikely(reacquire_kernel_lock(prev) < 0))  
  189.         goto need_resched_nonpreemptible;  
  190.     preempt_enable_no_resched();  
  191.     if (unlikely(test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED)))  
  192.         goto need_resched;  
  193. }  

当然,在我们程序中,也可以通过执行以下系统调用来改变自己进程的优先级。nice系统调用可以改变某个进程的基本优先级,setpriority可以改变一组进程的优先级。
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