ARM Linux 进程调度（1） FireAngel（原作） Linux, ARM, 原作, FireAngel, 进程

linuxarm

小弟最近研究了一段时间的ARM Linux,想把进程管理方面的感受跟大家交流下，不对的地方多多指点

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Process Creation and Termination
Process Scheduling and Dispatching
Process Switching
Porcess Synchronization and support for interprocess communication
Management of process control block

 

--------from <Operating system:internals and design principles>
 

进程调度

Linux2.4.x是一个基于非抢占式的多任务的分时操作系统，虽然在用户进程的调度上采用抢占式策略，但是而在内核还是采用了轮转的方法，如果有个内核态的线程恶性占有CPU不释放，那系统无法从中解脱出来，所以实时性并不是很强。这种情况有望在Linux 2.6版本中得到改善，在2.6版本中采用了抢占式的调度策略。

内核中根据任务的实时程度提供了三种调度策略：

1． SCHED_OTHER为非实时任务，采用常规的分时调度策略；

2． SCHED_FIFO为短小的实时任务，采用先进先出式调度，除非有更高优先级进程申请运行，否则该进程将保持运行至退出才让出CPU；

3． SCHED_RR任务较长的实时任务，由于任务较长，不能采用FIFO的策略，而是采用轮转式调度，该进程被调度下来后将被置于运行队列的末尾，以保证其他实时进程有机会运行。

需要说明的是，SCHED_FIFO和SCHED_RR两种调度策略之间没有优先级上的区别，主要的区别是任务的大小上。另外，task_struct结构中的policy中还包含了一个SCHED_YIELD位，置位时表示该进程主动放弃CPU。

在上述三种调度策略的基础上，进程依照优先级的高低被分别调系统。优先级是一些简单的整数，它代表了为决定应该允许哪一个进程使用CPU的资源时判断方便而赋予进程的权值——优先级越高，它得到CPU时间的机会也就越大。

在Linux中，非实时进程有两种优先级，一种是静态优先级，另一种是动态优先级。实时进程又增加了第三种优先级，实时优先级。

1． 静态优先级（priority）——被称为“静态”是因为它不随时间而改变，只能由用户进行修改。它指明了在被迫和其它进程竞争CPU之前该进程所应该被允许的时间片的最大值（20）。

2． 动态优先级（counter）——counter 即系统为每个进程运行而分配的时间片，Linux兼用它来表示进程的动态优先级。只要进程拥有CPU，它就随着时间不断减小；当它为0时，标记进程重新调度。它指明了在当前时间片中所剩余的时间量（最初为20）。

3． 实时优先级(rt_priority)——值为1000。Linux把实时优先级与counter值相加作为实时进程的优先权值。较高权值的进程总是优先于较低权值的进程，如果一个进程不是实时进程，其优先权就远小于1000，所以实时进程总是优先。

在每个tick到来的时候（也就是时钟中断发生），系统减小当前占有CPU的进程的counter，如果counter减小到0，则将need_resched置1，中断返回过程中进行调度。update_process_times()为时钟中断处理程序调用的一个子函数：

void update_process_times(int user_tick)
{
       struct task_struct *p = current;
       int cpu = smp_processor_id(), system = user_tick ^ 1;
 
       update_one_process(p, user_tick, system, cpu);
       if (p->pid) {
              if (--p->counter <= 0) {
                     p->counter = 0;
                     p->need_resched = 1;
              }
              if (p->nice > 0)
                     kstat.per_cpu_nice[cpu] += user_tick;
              else
                     kstat.per_cpu_user[cpu] += user_tick;
              kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
       } else if (local_bh_count(cpu) || local_irq_count(cpu) > 1)
              kstat.per_cpu_system[cpu] += system;
}

linuxarm

Linux中进程的调度使在schedule（）函数中实现的，该函数在下面的ARM汇编片断中被调用到：

/*
* This is the fast syscall return path. We do as little as
* possible here, and this includes saving r0 back into the SVC
* stack.
*/
ret_fast_syscall:
ldr r1, [tsk, #TSK_NEED_RESCHED]
ldr r2, [tsk, #TSK_SIGPENDING]
teq r1, #0 @ need_resched || sigpending
teqeq r2, #0
bne slow
fast_restore_user_regs

/*
* Ok, we need to do extra processing, enter the slow path.
*/
slow: str r0, [sp, #S_R0+S_OFF]! @ returned r0
b 1f

/*
* "slow" syscall return path. "why" tells us if this was a real syscall.
*/
reschedule:
bl SYMBOL_NAME(schedule)
ENTRY(ret_to_user)
ret_slow_syscall:
ldr r1, [tsk, #TSK_NEED_RESCHED]
ldr r2, [tsk, #TSK_SIGPENDING]
1: teq r1, #0 @ need_resched => schedule()
bne reschedule @如果需要重新调度则调用schedule
teq r2, #0 @ sigpending => do_signal()
blne __do_signal
restore_user_regs



而这段代码在中断返回或者系统调用返回中反复被调用到。

1． 进程状态转换时： 如进程终止，睡眠等,当进程要调用sleep（）或exit（）等函数使进程状态发生改变时，这些函数会主动调用schedule（）转入进程调度。

2． 可运行队列中增加新的进程时；

ENTRY(ret_from_fork)
bl SYMBOL_NAME(schedule_tail)
get_current_task tsk
ldr ip, [tsk, #TSK_PTRACE] @ check for syscall tracing
mov why, #1
tst ip, #PT_TRACESYS @ are we tracing syscalls?
beq ret_slow_syscall
mov r1, sp
mov r0, #1 @ trace exit [IP = 1]
bl SYMBOL_NAME(syscall_trace)
b ret_slow_syscall @跳转到上面的代码片断



3． 在时钟中断到来后：Linux初始化时，设定系统定时器的周期为10毫秒。当时钟中断发生时，时钟中断服务程序timer_interrupt立即调用时钟处理函数do_timer( )，在do_timer()会将当前进程的counter减1，如果counter为0则置need_resched标志，在从时钟中断返回的过程中会调用schedule.

4． 进程从系统调用返回到用户态时；判断need_resched标志是否置位，若是则转入执行schedule()。系统调用实际上就是通过软中断实现的，下面是ARM平台下软中断处理代码。

.align 5
ENTRY(vector_swi)
save_user_regs
zero_fp
get_scno

enable_irqs ip

str r4, [sp, #-S_OFF]! @ push fifth arg

get_current_task tsk
ldr ip, [tsk, #TSK_PTRACE] @ check for syscall tracing
bic scno, scno, #0xff000000 @ mask off SWI op-code
eor scno, scno, #OS_NUMBER << 20 @ check OS number
adr tbl, sys_call_table @ load syscall table pointer
tst ip, #PT_TRACESYS @ are we tracing syscalls?
bne __sys_trace

adrsvc al, lr, ret_fast_syscall @ 装载返回地址，用于在跳转调用后返回到
@上面的代码片断中的ret_fast_syscall
cmp scno, #NR_syscalls @ check upper syscall limit
ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ call sys_* routine

add r1, sp, #S_OFF
2: mov why, #0 @ no longer a real syscall
cmp scno, #ARMSWI_OFFSET
eor r0, scno, #OS_NUMBER << 20 @ put OS number back
bcs SYMBOL_NAME(arm_syscall)
b SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) @ not private func



5． 内核处理完中断后，进程返回到用户态。

6． 进程主动调用schedule()请求进行进程调度。