Linux內(nèi)核源碼的進程調度是怎樣的

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1 Linux時間系統(tǒng)

計算機最基本的時間單元是時鐘周期，例如取指令、執(zhí)行指令、存取內(nèi)存等。時間系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)非常重要的組成部分，特別是對于Unix類分時系統(tǒng)尤為重要。時間系統(tǒng)主要任務是維持系統(tǒng)時間并且防止某個進程獨占CPU及其他資源，也就是驅動進程的調度。

1.1 時鐘硬件

大部分PC機中有兩個時鐘源，他們分別叫做RTC和OS（操作系統(tǒng)）時鐘。RTC（Real Time Clock，實時時鐘）也叫做CMOS時鐘，它是PC主機板上的一塊芯片，它靠電池供電，即使系統(tǒng)斷電，也可以維持日期和時間。由于它獨立于操作系統(tǒng)，所以也被稱為硬件時鐘，它為整個計算機提供一個計時標準，是最原始***層的時鐘數(shù)據(jù)。

Linux只用RTC來獲得時間和日期；然而，通過作用于/dev/rtc設備文件，也允許進程對RTC編程。通過執(zhí)行/sbin/clock系統(tǒng)程序，系統(tǒng)管理員可以配置時鐘。

OS時鐘產(chǎn)生于PC主板上的定時/計數(shù)芯片，由操作系統(tǒng)控制這個芯片的工作，OS時鐘的基本單位就是該芯片的計數(shù)周期。在開機時操作系統(tǒng)取得RTC中的時間數(shù)據(jù)來初始化OS時鐘，然后通過計數(shù)芯片的向下計數(shù)形成了OS時鐘，它更應該被稱為一個計數(shù)器。OS時鐘只在開機時才有效，而且完全由操作系統(tǒng)控制，所以也被稱為軟時鐘或系統(tǒng)時鐘。下面我們重點描述OS時鐘的產(chǎn)生。

OS時鐘輸出脈沖信號，接到中斷控制器上，產(chǎn)生中斷信號，觸發(fā)后面要講的時鐘中斷，由時鐘中斷服務程序維持OS時鐘的正常工作。

1.2 時鐘運作機制

RTC和OS時鐘之間的關系通常也被稱作操作系統(tǒng)的時鐘運作機制。一般來說，RTC是OS時鐘的時間基準，操作系統(tǒng)通過讀取RTC來初始化OS時鐘，此后二者保持同步運行，共同維持著系統(tǒng)時間。保持同步運行是什么意思呢？就是指操作系統(tǒng)運行過程中，每隔一個固定時間會刷新或校正RTC中的信息。

圖2 時鐘運作機制

我們可以看到，RTC處于***層，提供最原始的時鐘數(shù)據(jù)。OS時鐘建立在RTC之上，初始化完成后將完全由操作系統(tǒng)控制，和RTC脫離關系。操作系統(tǒng)通過OS時鐘提供給應用程序所有和時間有關的服務。

1.3 Linux時間基準

以上我們了解了RTC（實時時鐘、硬件時鐘）和OS時鐘（系統(tǒng)時鐘、軟時鐘）。下面我們具體描述OS時鐘。OS時鐘是由可編程定時/計數(shù)器產(chǎn)生的輸出脈沖觸發(fā)中斷而產(chǎn)生的。輸出脈沖的周期叫做一個“時鐘滴答”。計算機中的時間是以時鐘滴答為單位的，每一次時鐘滴答，系統(tǒng)時間就會加1。操作系統(tǒng)根據(jù)當前時鐘滴答的數(shù)目就可以得到以秒或毫秒等為單位的其他時間格式。

定義“時間基準”的目的是為了簡化計算，這樣計算機中的時間只要表示為從這個時間基準開始的時鐘滴答數(shù)就可以了?！皶r間基準是由操作系統(tǒng)的設計者規(guī)定的。例如DOS的時間基準是1980年1月1日，Unix的時間基準是1970年1月1日上午12點，Linux的時間基準是1970年1月1日凌晨0點。

1.4 Linux的時間系統(tǒng)

OS時鐘記錄的時間也就是通常所說的系統(tǒng)時間。系統(tǒng)時間是以“時鐘滴答”為單位的，而時鐘中斷的頻率決定了一個時鐘滴答的長短，例如每秒有100次時鐘中斷，那么一個時鐘滴答的就是10毫秒（記為10ms），相應地，系統(tǒng)時間就會每10ms增1。

Linux中用全局變量jiffies表示系統(tǒng)自啟動以來的時鐘滴答數(shù)目。在/kernel/time.c中定義如下：

unsigned long volatile jiffies

在jiffies基礎上，Linux提供了如下適合人們習慣的時間格式，在/include/linux/time.h中定義如下：

struct timespec {／* 這是精度很高的表示*／

long tv_sec; ／* 秒 （second） *／

long tv_nsec;  /* 納秒：十億分之一秒（ nanosecond）*／

}；

struct timeval {／* 普通精度*／

int tv_sec; /* 秒*／

int tv_usec;  /* 微秒：百萬分之一秒（microsecond）*／

};

struct timezone {/* 時區(qū) *／

int tz_minuteswest;／* 格林尼治時間往西方的時差 *／

int tz_dsttime;/* 時間修正方式 *／

};

tv_sec表示秒（second），tv_usec表示微秒（microsecond），tv_nsec表示納秒（nanosecond）。定義tb_usec和tv_nsec的目的是為了適用不同的使用要求，不同的場合根據(jù)對時間精度的要求選用這兩種表示。另外，Linux還定義了用于表示更加符合大眾習慣的時間表示：年、月、日。但是萬變不離其宗，所有的時間應用都是建立在jiffies基礎之上的。簡而言之，jiffies產(chǎn)生于時鐘中斷！

2 時鐘中斷

2.1 時鐘中斷的產(chǎn)生

“時鐘中斷”是特別重要的一個中斷，因為整個操作系統(tǒng)的活動都受到它的激勵。系統(tǒng)利用時鐘中斷維持系統(tǒng)時間、促使環(huán)境的切換，以保證所有進程共享CPU；利用時鐘中斷進行記帳、監(jiān)督系統(tǒng)工作以及確定未來的調度優(yōu)先級等工作?？梢哉f，“時鐘中斷”是整個操作系統(tǒng)的脈搏。

時鐘中斷的物理產(chǎn)生如圖3所示：

圖3 8253和8259A的物理連接方式

脈沖信號接到中斷控制器8259A_1的0號管腳，觸發(fā)一個周期性的中斷，我們就把這個中斷叫做時鐘中斷，時鐘中斷的周期，也就是脈沖信號的周期，我們叫做“滴答”或“時標”（tick）。從本質上說，時鐘中斷只是一個周期性的信號，完全是硬件行為，該信號觸發(fā)CPU去執(zhí)行一個中斷服務程序，我們就把這個服務程序叫做時鐘中斷。

2.2.Linux實現(xiàn)時鐘中斷的全過程

1. 和時鐘中斷相關的函數(shù)

下面我們看時鐘中斷觸發(fā)的服務程序，該程序代碼比較復雜，分布在不同的源文件中，主要包括如下函數(shù)：

時鐘中斷程序：timer_interrupt( )；

中斷服務通用例程do_timer_interrupt();

時鐘函數(shù)：do_timer( )；

中斷安裝程序：setup_irq( );

中斷返回函數(shù)：ret_from_intr( );

前三個函數(shù)的調用關系如下：

timer_interrupt( )

do_timer_interrupt()

do_timer( )

(1) timer_interrupt( )

這個函數(shù)大約每10ms被調用一次，實際上， timer_interrupt( )函數(shù)是一個封裝例程，它真正做的事情并不多，該函數(shù)主要語句就是調用do_timer_interrupt()函數(shù)。

(2) do_timer_interrupt()

do_timer_interrupt()函數(shù)有兩個主要任務，一個是調用do_timer( )，另一個是維持實時時鐘(RTC，每隔一定時間段要回寫)，其實現(xiàn)代碼在/arch/i386/kernel/time.c中， 為了突出主題，筆者對以下函數(shù)作了改寫，以便于讀者理解：

static inline void do_timer_interrupt(int irq， void *dev_id， struct pt_regs *regs)

{

do_timer(regs); /* 調用時鐘函數(shù)，將時鐘函數(shù)等同于時鐘中斷未嘗不可*/

if(xtime.tv_sec > last_rtc_update + 660)

update_RTC();

/*每隔11分鐘就更新RTC中的時間信息，以使OS時鐘和RTC時鐘保持同步，11分鐘即660秒，xtime.tv_sec的單位是秒，last_rtc_update記錄的是上次RTC更新時的值 */

}

其中，xtime是前面所提到的timeval類型，這是一個全局變量。

(3) 時鐘函數(shù)do_timer() (在/kernel/sched.c中)

void do_timer(struct pt_regs * regs)

{

(*(unsigned long *)&jiffies)++; /*更新系統(tǒng)時間，這種寫法保證對jiffies操作的原子性*/

update_process_times（）;

++lost_ticks;

if( ! user_mode ( regs ) )

++lost_ticks_system;

mark_bh(TIMER_BH);

if (tq_timer)

mark_bh(TQUEUE_BH);

}

其中，update_process_times（）函數(shù)與進程調度有關，從函數(shù)的名子可以看出，它處理的是與當前進程與時間有關的變量，例如，要更新當前進程的時間片計數(shù)器counter，如果counter<=0，則要調用調度程序。

與時間有關的事情很多，不能全都讓這個函數(shù)去完成，這是因為這個函數(shù)是在關中斷的情況下執(zhí)行，必須處理完最重要的時間信息后退出，以處理其他事情。那么，與時間相關的其他信息誰去處理，何時處理？這就是由第三章討論的后半部分去去處理。上面timer_interrupt()所做的事情就是上半部分。

（4）中斷安裝程序

從上面的介紹可以看出，時鐘中斷與進程調度密不可分，因此，一旦開始有時鐘中斷就可能要進行調度，在系統(tǒng)進行初始化時，所做的大量工作之一就是對時鐘進行初始化，其函數(shù)time_init ()的代碼在/arch/i386/kernel/time.c中，對其簡寫如下：

void __init time_init(void)

{

xtime.tv_sec=get_cmos_time();

xtime.tv_usec=0;

setup_irq（0，＆irq0）;

}

其中的get_cmos_time()函數(shù)就是把當時的實際時間從CMOS時鐘芯片讀入變量xtime中，時間精度為秒。而setup_irq（0，＆irq0）就是時鐘中斷安裝函數(shù)，那么irq0指的是什么呢，它是一個結構類型irqaction，其定義及初值如下：

static struct irqaction irq0 = { timer_interrupt， SA_INTERRUPT， 0， "timer"， NULL， NULL};

setup_irq(0， &irq0)的代碼在/arch/i386/kernel/irq.c中，其主要功能就是將中斷程序連入相應的中斷請求隊列，以等待中斷到來時相應的中斷程序被執(zhí)行。

我們將有關函數(shù)改寫如下，體現(xiàn)時鐘中斷的大意：

do_timer_interrupt( ) ／*這是一個偽函數(shù) *／

{

SAVE_ALL  ／*保存處理機現(xiàn)場 *／

intr_count += 1;  ／* 這段操作不允許被中斷 *／

timer_interrupt() ／* 調用時鐘中斷程序 *／

intr_count -= 1;

jmp ret_from_intr /* 中斷返回函數(shù) *／

}

其中，jmp ret_from_intr 是一段匯編代碼，也是一個較為復雜的過程，它最終要調用jmp ret_from_sys_call，即系統(tǒng)調用返回函數(shù)，而這個函數(shù)與進程的調度又密切相關，，因此，我們重點分析jmp ret_from_sys_call。

2．系統(tǒng)調用返回函數(shù)：

系統(tǒng)調用返回函數(shù)的源代碼在/arch/i386/kernel/entry.S中

ENTRY(ret_from_sys_call)

cli  # need_resched and signals atomic test

cmpl $0，need_resched(%ebx)

jne reschedule

cmpl $0，sigpending(%ebx)

jne signal_return

restore_all:

RESTORE_ALL

ALIGN

signal_return:

sti  # we can get here from an interrupt handler

testl $(VM_MASK)，EFLAGS(%esp)

movl %esp，%eax

jne v86_signal_return

xorl %edx，%edx

call SYMBOL_NAME(do_signal)

jmp restore_all

ALIGN

v86_signal_return:

call SYMBOL_NAME(save_v86_state)

movl %eax，%esp

xorl %edx，%edx

call SYMBOL_NAME(do_signal)

jmp restore_all

….

reschedule:

call SYMBOL_NAME(schedule) # test

jmp ret_from_sys_call

這一段匯編代碼就是前面我們所說的“從系統(tǒng)調用返回函數(shù)”ret_from_sys_call，它是從中斷、異常及系統(tǒng)調用返回時的通用接口。這段代碼主體就是ret_from_sys_call函數(shù)，在此我們列出相關的幾個函數(shù)：

（1）ret_from_sys_call：主體

（2）reschedule：檢測是否需要重新調度

（3）signal_return：處理當前進程接收到的信號

（4）v86_signal_return：處理虛擬86模式下當前進程接收到的信號

（5）RESTORE_ALL：我們把這個函數(shù)叫做徹底返回函數(shù)，因為執(zhí)行該函數(shù)之后，就返回到當前進程的地址空間中去了。

可以看到ret_from_sys_call的主要作用有：

檢測調度標志need_resched，決定是否要執(zhí)行調度程序；處理當前進程的信號；恢復當前進程的環(huán)境使之繼續(xù)執(zhí)行。

最后我們再次從總體上瀏覽一下時鐘中斷：

每個時鐘滴答，時鐘中斷得到執(zhí)行。時鐘中斷執(zhí)行的頻率很高：100次/秒，時鐘中斷的主要工作是處理和時間有關的所有信息、決定是否執(zhí)行調度程序以及處理下半部分。和時間有關的所有信息包括系統(tǒng)時間、進程的時間片、延時、使用CPU的時間、各種定時器，進程更新后的時間片為進程調度提供依據(jù)，然后在時鐘中斷返回時決定是否要執(zhí)行調度程序。下半部分處理程序是Linux提供的一種機制，它使一部分工作推遲執(zhí)行。

以上就是關于“Linux內(nèi)核源碼的進程調度是怎樣的”這篇文章的內(nèi)容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內(nèi)容對大家有幫助，若想了解更多相關的知識內(nèi)容，請關注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

當前標題：Linux內(nèi)核源碼的進程調度是怎樣的
網(wǎng)頁鏈接：http://muchs.cn/article30/pgodpo.html

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