Linux进程管理
Linux进程管理（四）进程调度之抢占式调度
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上篇文章我们将了内核调度分为主动调度和抢占式调度，主动调度我们已经讲解过了，这篇文章我们来讲解一下抢占式调度
一、抢占式调度
我们说过，进程真正的调度都是通过调用 schedule 函数发生的，所谓抢占抢占式调度，就是非进程自愿调用 schedule 来发生进程调度
抢占式调度主要分为两步
- 第一步：在current进程设置需要重新调度的标志（TIF_NEED_RESCHED）
- 第二步：在某些特定的时机，检测是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，如果设置了，就调用 schedule 函数发生进程调度
这篇文章的主要目的就是讨论这两个动作发生的时期
二、设置需要重新调度的标志的时机（TIF_NEED_RESCHED）
设置 TIF_NEED_RESCHED 标志有两个时机
- 周期性调度器处理时
- 唤醒进程时
首先讨论周期性调度器处理
周期性调度器处理
前面我们，在硬件电路有一个滴答定时器，周期性的产生时钟中断（一般为10ms）
每当时钟中断产生的时候，就会调用 scheduler_tick 函数进行处理，我们称之为周期性调度器
scheduler_tick 的定义如下
void scheduler_tick(void)
{
curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);
}
它会调用current进程所指向的调度类中的 task_tick 函数
如果该调度类是 fair_sched_class，那么 task_tick 就对应 task_tick_fair，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void task_tick_fair(struct rq *rq, struct task_struct *curr, int queued)
{
...
entity_tick(cfs_rq, se, queued);
...
}
entity_tick 函数中会判断当前进程是否需要被抢占，如果需要，那么就会设置 TIF_NEED_RESCHED 标志，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void
entity_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr, int queued)
{
/* 更新统计信息 */
update_curr(cfs_rq);
...
/* 检查是否需要发生抢占 */
check_preempt_tick(cfs_rq, curr);
}
update_curr 会更新进程的运行时间，check_preempt_tick 会判断当前进程是否需要被抢占
check_preempt_tick 的定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void
check_preempt_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
...
/* 挑选红黑树最左边的节点 */
se = __pick_first_entity(cfs_rq);
/* 计算当前进程运行时间是否比红黑树第一个节点长？ */
delta = curr->vruntime - se->vruntime;
/* 如果不是，就退出 */
if (delta < 0)
return;
...
/* 如果是，那么就设置 TIF_NEED_RESCHED 标志 */
resched_curr(rq_of(cfs_rq));
}
这里面的判断方式是 CFS 算法相关的内容，由于前面文章已经讲解过了，所以这里我不再重述
我们主要看当判断当前进程需要被抢占的时候，会调用 resched_curr，这个函数会设置 TIF_NEED_RESCHED 标志，下面我们看一看它的定义
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static inline void set_tsk_need_resched(struct task_struct *tsk)
{
set_tsk_thread_flag(tsk,TIF_NEED_RESCHED);
}
void resched_curr(struct rq *rq)
{
...
set_tsk_need_resched(curr);
...
}
可以看到，最终会设置 TIF_NEED_RESCHED 标志
接下下我们看唤醒进程的情况
唤醒进程
进程在等待某个条件的时候，可能会进入睡眠，当条件满足的时候，进程会被唤醒
唤醒进程的过程中，会调用 try_to_wake_up 来唤醒进程，其定义如下，这个函数的调用过程如下
最终会调用 enqueue_task，将进程添加到运行队列，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static inline void enqueue_task(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
...
p->sched_class->enqueue_task(rq, p, flags);
}
然后调用 check_preempt_curr，检查当前进程是否需要被抢占，如果需要，就会设置 TIF_NEED_RESCHED 标志
check_preempt_curr 的定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
void check_preempt_curr(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
...
rq->curr->sched_class->check_preempt_curr(rq, p, flags);
...
}
它会调用进程所指向的调度类中的 check_preempt_curr 函数，如果调度类是 fair_sched_class，那么 check_preempt_curr 就是 check_preempt_wakeup，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void check_preempt_wakeup(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags)
{
...
resched_curr(rq);
...
}
根据相应的算法计算，如果需要重新调度，就会调用 resched_curr 函数，这个函数我们上面讲过，它最终会设置 TIF_NEED_RESCHED 标志
关于设置需要重新调度标志的部分已经讲完，下面来看进程的抢占时机
三、进程抢占的时机
进程抢占的时机指的是在什么时候检查 TIF_NEED_RESCHED 标志，然后调用 schedule 函数
进程抢占时机可以分为两部分，一部分是 用户态的抢占时机，一部分是内核态的抢占时机
3.1 用户态的抢占时机
用户态的抢占有两个时机
- 系统调用返回
- 中断返回用户态
我们先来看系统调用返回
系统调用返回
对于 X86 来说，发生系统调用时，最终会调用到 do_syscall_32_irqs_on，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static __always_inline void do_syscall_32_irqs_on(struct pt_regs *regs)
{
...
/* 系统调用处理 */
...
/* 系统调用返回 */
syscall_return_slowpath(regs);
}
do_syscall_32_irqs_on 首先做系统调用处理，在系统调用返回的时候，会调用 syscall_return_slowpath
syscall_return_slowpath 最终会调用到 exit_to_usermode_loop，exit_to_usermode_loop 会检查是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，如果设置了，就调用 schedule 函数，如下
exit_to_usermode_loop 的定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void exit_to_usermode_loop(struct pt_regs *regs, u32 cached_flags)
{
...
if (cached_flags & _TIF_NEED_RESCHED)
schedule();
...
}
下面在来看看中断返回用户态时
中断返回用户态
中断的处理流程如下
在 arch\x86\entry\entry_32.S 文件中，定义了中断处理
当发生中断时，会跳转到 irq_entries_start 处理中断
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
ENTRY(irq_entries_start)
...
jmp common_interrupt
...
END(irq_entries_start)
irq_entries_start 会跳转到 common_interrupt，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
common_interrupt:
...
call do_IRQ
...
jmp ret_from_intr
ENDPROC(common_interrupt)
common_interrupt 会调用 do_IRQ 来进行中断处理，在中断处理完成后，会调用 ret_from_intr 做中断返回处理
ret_from_intr 的定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
ret_from_intr:
...
cmpl $USER_RPL, %eax
jb resume_kernel
ENTRY(resume_userspace)
...
call prepare_exit_to_usermode
...
END(ret_from_exception)
ENTRY(resume_kernel)
...
call preempt_schedule_irq
...
END(resume_kernel)
如果是返回用户态，那么会运行 resume_userspace，然后调用 prepare_exit_to_usermode。如果是返回内核态，那么就跳转到 resume_kernel，然后调用 preempt_schedule_irqs
这里我们看返回用户态的情况
其中的 prepare_exit_to_usermode 我们上面已经分析过了，最终它会检查是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，如果设置了，就调用 schedule 发生进程调度
关于用户态的抢占时机这里就介绍完了，下面介绍内核态的抢占时机
3.2 内核态的抢占时机
内核态的抢占有两个时机
- 中断返回内核态时
- 开启抢占时
由于上面我们已经分析了中断了，所以这里先看一下中断，中断的处理流程如下
当返回内核态的时候，调用的是 preempt_schedule_irq 函数，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
asmlinkage __visible void __sched preempt_schedule_irq(void)
{
...
do {
...
__schedule(true);
...
} while (need_resched());
...
}
在 preempt_schedule_irq 中，调用了 __schedule，你会发现这里调用的是 __schedule 而不是 schedule，其实你可以简单地认为两者是差不多的，在 schedule 函数中会调用 __schedule
接下俩看进程抢占的另一个时机
开启抢占
在某些情况下需要通过 preempt_disable 来关闭抢占，当处理完某件事后，会调用 preempt_enable 来重新开启抢占，preempt_enable 的定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
#define preempt_enable() \
do { \
barrier(); \
if (unlikely(preempt_count_dec_and_test())) \
__preempt_schedule(); \
} while (0)
preempt_enable 的调用流程如下
首先通过 preempt_count_dec_and_test 判断是否开启了抢占和设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，如果返回真，那么就调用 __preempt_schedule，最后调用 __schedule 来发生进程调度
preempt_count_dec_and_test 的定义如下
#define preempt_count_dec_and_test() \
({ preempt_count_sub(1); should_resched(0); })
其中 preempt_count_sub 是判断是否开启了抢占，should_resched 是判断是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，下面我们看一下 should_resched的定义
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static __always_inline bool should_resched(int preempt_offset)
{
return unlikely(preempt_count() == preempt_offset &&
tif_need_resched());
}
其中的 tif_need_resched 就是判断是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志，其定义如下
#define tif_need_resched() test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED)
可以看到其就是判断是否设置了 TIF_NEED_RESCHED 标志
接下来回到 preempt_enable 函数，我们接着看 __preempt_schedule，其定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
#define __preempt_schedule() preempt_schedule()
asmlinkage __visible void __sched notrace preempt_schedule(void)
{
...
preempt_schedule_common();
}
其中的 preempt_schedule_common 定义如下
// 本文作者：_JT_
// 博客地址：https://blog.csdn.net/weixin_42462202
static void __sched notrace preempt_schedule_common(void)
{
do {
...
__schedule(true);
...
} while (need_resched());
}
可以看到，最后调用了 __schedule 函数
好了，关于抢占式调度就讲解到这里，下面进入总结时刻
四、总结
下面我们对整个进程调度时机来做一个总结
- 进程调度分为主动调度和抢占式调度
- 主动调度是进程主动调用 schedule 函数，抢占式调度是 进程非自愿调用 schedule 函数
- 抢占式调度分为两步，第一步是设置 TIF_NEED_RESCHED 标志，第二步是在某个时机调用 schedule 发生进程抢占
- 设置 TIF_NEED_RESCHED 标志的时机为周期性调度器处理时还有唤醒进程时
- 检测 TIF_NEED_RESCHED 并调用 schedule 的时机可分为用户态和内核态
- 用户态抢占时机有系统调用返回和中断返回用户态
- 内核态抢占时机有开启抢占还有中断返回内核态
