【原创】（一）Linux进程调度器-基础

背景

Read the fucking source code! –By 鲁迅
A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明：

Kernel版本：4.14
ARM64处理器，Contex-A53，双核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

从这篇文章开始，将开始Linux调度器的系列研究了。
本文也会从一些基础的概念及数据结构入手，先打造一个粗略的轮廓，后续的文章将逐渐深入。

2. 概念

2.1 进程

从教科书上，我们都能知道：进程是资源分配的最小单位，而线程是CPU调度的的最小单位。
进程不仅包括可执行程序的代码段，还包括一系列的资源，比如：打开的文件、内存、CPU时间、信号量、多个执行线程流等等。而线程可以共享进程内的资源空间。
在Linux内核中，进程和线程都使用struct task_struct结构来进行抽象描述。
进程的虚拟地址空间分为用户虚拟地址空间和内核虚拟地址空间，所有进程共享内核虚拟地址空间，没有用户虚拟地址空间的进程称为内核线程。

Linux内核使用task_struct结构来抽象，该结构包含了进程的各类信息及所拥有的资源，比如进程的状态、打开的文件、地址空间信息、信号资源等等。task_struct结构很复杂，下边只针对与调度相关的某些字段进行介绍。

struct task_struct {
    /* ... */
    
    /* 进程状态 */
    volatile long           state;

    /* 调度优先级相关，策略相关 */
    int             prio;
    int             static_prio;
    int             normal_prio;
    unsigned int            rt_priority;
    unsigned int            policy;
    
    /* 调度类，调度实体相关，任务组相关等 */
    const struct sched_class    *sched_class;
    struct sched_entity     se;
    struct sched_rt_entity      rt;
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
    struct task_group       *sched_task_group;
#endif
    struct sched_dl_entity      dl;
    
    /* 进程之间的关系相关 */
        /* Real parent process: */
    struct task_struct __rcu    *real_parent;

    /* Recipient of SIGCHLD, wait4() reports: */
    struct task_struct __rcu    *parent;

    /*
     * Children/sibling form the list of natural children:
     */
    struct list_head        children;
    struct list_head        sibling;
    struct task_struct      *group_leader;
    
    /* ... */
}

2.2 进程状态

上图中左侧为操作系统中通俗的进程三状态模型，右侧为Linux对应的进程状态切换。每一个标志描述了进程的当前状态，这些状态都是互斥的；
Linux中的就绪态和运行态对应的都是TASK_RUNNING标志位，就绪态表示进程正处在队列中，尚未被调度；运行态则表示进程正在CPU上运行；

内核中主要的状态字段定义如下

/* Used in tsk->state: */
#define TASK_RUNNING            0x0000
#define TASK_INTERRUPTIBLE      0x0001
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE        0x0002

/* Used in tsk->exit_state: */
#define EXIT_DEAD           0x0010
#define EXIT_ZOMBIE         0x0020
#define EXIT_TRACE          (EXIT_ZOMBIE | EXIT_DEAD)

/* Used in tsk->state again: */
#define TASK_PARKED         0x0040
#define TASK_DEAD           0x0080
#define TASK_WAKEKILL           0x0100
#define TASK_WAKING         0x0200
#define TASK_NOLOAD         0x0400
#define TASK_NEW            0x0800
#define TASK_STATE_MAX          0x1000

/* Convenience macros for the sake of set_current_state: */
#define TASK_KILLABLE           (TASK_WAKEKILL | TASK_UNINTERRUPTIBLE)
#define TASK_STOPPED            (TASK_WAKEKILL | __TASK_STOPPED)
#define TASK_TRACED         (TASK_WAKEKILL | __TASK_TRACED)

#define TASK_IDLE           (TASK_UNINTERRUPTIBLE | TASK_NOLOAD)

2.3 scheduler 调度器

所谓调度，就是按照某种调度的算法，从进程的就绪队列中选取进程分配CPU，主要是协调对CPU等的资源使用。进程调度的目标是最大限度利用CPU时间。

内核默认提供了5个调度器，Linux内核使用struct sched_class来对调度器进行抽象：

Stop调度器， stop_sched_class：优先级最高的调度类，可以抢占其他所有进程，不能被其他进程抢占；
Deadline调度器， dl_sched_class：使用红黑树，把进程按照绝对截止期限进行排序，选择最小进程进行调度运行；
RT调度器， rt_sched_class：实时调度器，为每个优先级维护一个队列；
CFS调度器， cfs_sched_class：完全公平调度器，采用完全公平调度算法，引入虚拟运行时间概念；
IDLE-Task调度器， idle_sched_class：空闲调度器，每个CPU都会有一个idle线程，当没有其他进程可以调度时，调度运行idle线程；

Linux内核提供了一些调度策略供用户程序来选择调度器，其中Stop调度器和IDLE-Task调度器，仅由内核使用，用户无法进行选择：

SCHED_DEADLINE：限期进程调度策略，使task选择Deadline调度器来调度运行；
SCHED_RR：实时进程调度策略，时间片轮转，进程用完时间片后加入优先级对应运行队列的尾部，把CPU让给同优先级的其他进程；
SCHED_FIFO：实时进程调度策略，先进先出调度没有时间片，没有更高优先级的情况下，只能等待主动让出CPU；
SCHED_NORMAL：普通进程调度策略，使task选择CFS调度器来调度运行；
SCHED_BATCH：普通进程调度策略，批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行；
SCHED_IDLE：普通进程调度策略，使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行；

2.4 runqueue 运行队列

每个CPU都有一个运行队列，每个调度器都作用于运行队列；
分配给CPU的task，作为调度实体加入到运行队列中；
task首次运行时，如果可能，尽量将它加入到父task所在的运行队列中（分配给相同的CPU，缓存affinity会更高，性能会有改善）；

Linux内核使用struct rq结构来描述运行队列，关键字段如下：

/*
 * This is the main, per-CPU runqueue data structure.
 *
 * Locking rule: those places that want to lock multiple runqueues
 * (such as the load balancing or the thread migration code), lock
 * acquire operations must be ordered by ascending &runqueue.
 */
struct rq {
    /* runqueue lock: */
    raw_spinlock_t lock;

    /*
     * nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because
     * remote CPUs use both these fields when doing load calculation.
     */
    unsigned int nr_running;
    
    /* 三个调度队列：CFS调度，RT调度，DL调度 */
    struct cfs_rq cfs;
    struct rt_rq rt;
    struct dl_rq dl;

    /* stop指向迁移内核线程， idle指向空闲内核线程 */
    struct task_struct *curr, *idle, *stop;
    
    /* ... */
}

2.5 task_group 任务分组

利用任务分组的机制，可以设置或限制任务组对CPU的利用率，比如将某些任务限制在某个区间内，从而不去影响其他任务的执行效率；
引入task_group后，调度器的调度对象不仅仅是进程了，Linux内核抽象出了sched_entity/sched_rt_entity/sched_dl_entity描述调度实体，调度实体可以是进程或task_group；
使用数据结构struct task_group来描述任务组，任务组在每个CPU上都会维护一个CFS调度实体、CFS运行队列，RT调度实体，RT运行队列；

Linux内核使用struct task_group来描述任务组，关键的字段如下：

/* task group related information */
struct task_group {
    /* ... */

    /* 为每个CPU都分配一个CFS调度实体和CFS运行队列 */
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
    /* schedulable entities of this group on each cpu */
    struct sched_entity **se;
    /* runqueue "owned" by this group on each cpu */
    struct cfs_rq **cfs_rq;
    unsigned long shares;
#endif

    /* 为每个CPU都分配一个RT调度实体和RT运行队列 */
#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
    struct sched_rt_entity **rt_se;
    struct rt_rq **rt_rq;

    struct rt_bandwidth rt_bandwidth;
#endif

    /* task_group之间的组织关系 */
    struct rcu_head rcu;
    struct list_head list;

    struct task_group *parent;
    struct list_head siblings;
    struct list_head children;

    /* ... */
};

3. 调度程序

调度程序依靠几个函数来完成调度工作的，下边将介绍几个关键的函数。

主动调度 – schedule()

schedule()函数，是进程调度的核心函数，大体的流程如上图所示。
核心的逻辑：选择另外一个进程来替换掉当前运行的进程。进程的选择是通过进程所使用的调度器中的pick_next_task函数来实现的，不同的调度器实现的方法不一样；进程的替换是通过context_switch()来完成切换的，具体的细节后续的文章再深入分析。