Linux程式分析

多工系統可以分為：非搶佔式和搶佔式。Linux提供搶佔式多工模式。程式在被搶佔之前能夠執行的時間叫程式的時間片，Linux獨一無二的公平排程程式本身並沒有採用時間片來達到公平排程。

　　Linux之前採用O(1)排程器，它對大伺服器的工作負載很理想，但是對響應時間敏感的程式卻有不足。在2.6.23核心版本中用完全公平排程演算法（CFS）代替了O(1)排程演算法。

　　程式可以被分為I/O消耗型和處理器消耗型。I/O消耗型指程式的大部分時間用來提交I/O請求或是等待I/O請求。處理器消耗型指程式把事件大多數用在執行程式碼上。排程策略通常在兩個矛盾中尋找平衡：程式響應迅速和最大系統利用率。Linux更傾向於優先排程I/O消耗型程式。

　　排程程式總是選擇時間片未用盡而且優先順序最高的程式執行。

　　Linux採用兩種不同的優先順序範圍。第一種是nice值，越大的nice值意味著更低的優先順序。第二種是實時優先順序，其值可以配置，越高的實時優先順序數值意味著程式優先順序越高。任何實時程式的優先順序都高於普通程式。

　　CFS做法：允許每個程式執行一段時間，迴圈輪轉，選擇執行最少的程式作為下一個執行程式，而不再採用分配給每一個程式時間片的做法，CFS在所有可執行程式總數基礎上計算出一個程式應該執行多久，而不是依靠nice值來計算時間片。CFS引入每個程式獲得的時間片底線（最小粒度）預設情況為1ms，絕對的nice值不再影響排程決策，任何程式所獲得的處理器時間由它自己和其他所有可執行程式nice值的相對差決定。

　　Linux排程的實現：

　　時間記賬

　　排程器實體結構是struct sched_entity，它嵌入在程式描述符struct task_struct中。虛擬時間以ns為單位，存在vruntime變數中，它和定時器節拍不再相關，vruntime變數可以準確測定程式的執行時間，而且可以知道誰應該是下一個被執行的程式。

　　程式選擇

　　當CFS需要選擇下一個執行程式時，它會挑一個具有最小vruntime的程式，這就是CFS排程演算法的核心：選擇具有最小的vruntime的任務。這裡採用紅黑樹實現的。

　　排程器入口

　　程式排程的主要入口點是schedule函式，該函式會以優先順序為序，從高到低，依次檢查每一個排程器，並且從最高優先順序的排程器中，選擇最高優先順序的程式。

　　睡眠和喚醒

　　對於睡眠，核心的操作是：程式把自己標記為休眠狀態，從可執行紅黑樹中移出，放入等待佇列，然後呼叫schedule函式選擇和執行一個其他程式。對於喚醒，正好相反，程式被設定為可執行狀態，然後再從等待佇列中移到可執行紅黑樹中。

　　休眠有兩種程式狀態：TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE。它們唯一的區別在於處在TASK_UNINTERRUPTIBLE的程式會忽略訊號，處於TASK_INTERRUPTIBLE狀態的程式如果接收到一個訊號，會被提前喚醒並響應該訊號。兩種狀態的程式位於同一個等待佇列上，等待某些事情，不能夠執行。

　　關於休眠還需要注意一點：存在虛假的喚醒，所以有時候需要一個迴圈處理來保證程式被喚醒的條件真正大達成。

　　等待佇列的使用

　　static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);  //定義等待佇列頭
　　wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);              //休眠
　　wake_up_interruptible(&button_waitq);                  //喚醒

　　搶佔和上下文切換

　　上下文切換就是從一個可執行程式切換到另一個可執行程式。Schedule函式主要完成兩個工作：其一，把虛擬記憶體從上一個程式對映切換到新程式中。其二，從上一個程式的處理器狀態切換到新程式的處理器狀態。

　　核心必須知道在什麼時候呼叫schedule函式，如何僅靠使用者程式程式碼顯式地呼叫schedule，它們可能就會永遠的執行下去，所以核心中提供了一個need_resched標誌來表明是否需要重新執行一次排程，該標誌對於核心來講是一個資訊，它表示有其他程式應當被執行了，要儘快呼叫排程程式。

　　使用者搶佔

　　核心即將返回使用者空間的時候，如果need_resched標誌被設定，會導致schedule函式被呼叫，此時就會發生使用者搶佔。使用者搶佔在如下情況時產生：其一，從系統呼叫返回使用者空間時。其二，從中斷處理程式返回使用者空間時。

　　核心搶佔

　　在2.6版核心中，核心引入搶佔能力，只要重新排程是安全的，即只要沒有持有鎖，核心就可以在任何時候搶佔正在執行的任務。為了支援核心搶佔，在每個程式的thread_info引入preempt_count計數器，當做一把鎖來使用。核心搶佔在如下情況時產生：其一，中斷處理程式正在執行，且返回核心空間之前。其二，核心程式碼再一次具有可搶佔性的時候。其三，如果核心中的任務顯式地呼叫schedule函式。其四，如果核心中的任務阻塞（這樣會呼叫schedule函式）。

轉自 http://my.csdn.net/weiqing1981127