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linux調(diào)度器源碼分析3/4--新進(jìn)程加入
http://blog.chinaunix.net/uid-26772321-id-4888185.html
2015

引言

　　之前的文章已經(jīng)介紹了調(diào)度器已經(jīng)初始化完成，現(xiàn)在只需要加入一個(gè)周期定時(shí)器tick驅(qū)動(dòng)它進(jìn)行周期調(diào)度即可，而加入定時(shí)器tick在下一篇文章進(jìn)行簡(jiǎn)單說明(主要這部分涉及調(diào)度器比較少，更多的是時(shí)鐘、定時(shí)器相關(guān)知識(shí))。這篇文章主要說明系統(tǒng)如何把一個(gè)進(jìn)程加入到隊(duì)列中。

 

加入時(shí)機(jī)

　　之前的文章也有提到過，只有處于TASK_RUNNING狀態(tài)下的進(jìn)程才能夠加入到調(diào)度器，其他狀態(tài)都不行，也就說明了，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程處于睡眠、掛起狀態(tài)的時(shí)候是不存在于調(diào)度器中的，而進(jìn)程加入調(diào)度器的時(shí)機(jī)如下：

  • 當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建完成時(shí)，進(jìn)程剛創(chuàng)建完成時(shí)，即使它運(yùn)行起來立即調(diào)用sleep()進(jìn)程睡眠，它也必定先會(huì)加入到調(diào)度器，因?yàn)閷?shí)際上它加入調(diào)度器后自己還需要進(jìn)行一定的初始化和操作，才會(huì)調(diào)用到我們的“立即”sleep()。
  • 當(dāng)進(jìn)程被喚醒時(shí)，也使用sleep的例子說明，我們平常寫程序使用的sleep()函數(shù)實(shí)現(xiàn)原理就是通過系統(tǒng)調(diào)用將進(jìn)程狀態(tài)改為TASK_INTERRUPTIBLE，然后移出運(yùn)行隊(duì)列，并且啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，在定時(shí)器到期后喚醒進(jìn)程，再重新放入運(yùn)行隊(duì)列。

sched_fork

　　在我的博文關(guān)于linux系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)fork的研究(二)中專門描述了copy_process()這個(gè)創(chuàng)建函數(shù)，而里面有一個(gè)函數(shù)專門用于進(jìn)程調(diào)度的初始化，就是sched_fork()，其代碼如下

  1. int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
  2. {
  3.     unsigned long flags;
  4.     /* 獲取當(dāng)前CPU，并且禁止搶占 */
  5.     int cpu = get_cpu();
  6.     
  7.     /* 初始化跟調(diào)度相關(guān)的值，比如調(diào)度實(shí)體，運(yùn)行時(shí)間等 */
  8.     __sched_fork(clone_flags, p);
  9.     /*
  10.      * 標(biāo)記為運(yùn)行狀態(tài)，表明此進(jìn)程正在運(yùn)行或準(zhǔn)備好運(yùn)行，實(shí)際上沒有真正在CPU上運(yùn)行，這里只是導(dǎo)致了外部信號(hào)和事件不能夠喚醒此進(jìn)程，之后將它插入到運(yùn)行隊(duì)列中
  11.      */
  12.     p->state = TASK_RUNNING;

  14.     /*
  15.      * 根據(jù)父進(jìn)程的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)
  16.      */
  17.     p->prio = current->normal_prio;

  19.     /*
  20.      * 更新該進(jìn)程優(yōu)先級(jí)
  21.      */
  22.     /* 如果需要重新設(shè)置優(yōu)先級(jí) */
  23.     if (unlikely(p->sched_reset_on_fork)) {
  24.         /* 如果是dl調(diào)度或者實(shí)時(shí)調(diào)度 */
  25.         if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p)) {
  26.             /* 調(diào)度策略為SCHED_NORMAL，這個(gè)選項(xiàng)將使用CFS調(diào)度 */
  27.             p->policy = SCHED_NORMAL;
  28.             /* 根據(jù)默認(rèn)nice值設(shè)置靜態(tài)優(yōu)先級(jí) */
  29.             p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);
  30.             /* 實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為0 */
  31.             p->rt_priority = 0;
  32.         } else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)
  33.             /* 根據(jù)默認(rèn)nice值設(shè)置靜態(tài)優(yōu)先級(jí) */
  34.             p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);

  36.         /* p->prio = p->normal_prio = p->static_prio */
  37.         p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p);
  38.         /* 設(shè)置進(jìn)程權(quán)重 */
  39.         set_load_weight(p);

  41.          /* sched_reset_on_fork成員在之后已經(jīng)不需要使用了，直接設(shè)為0 */
  42.         p->sched_reset_on_fork = 0;
  43.     }

  45.     if (dl_prio(p->prio)) {
  46.         /* 使能搶占 */
  47.         put_cpu();
  48.         /* 返回錯(cuò)誤 */
  49.         return -EAGAIN;
  50.     } else if (rt_prio(p->prio)) {
  51.         /* 根據(jù)優(yōu)先級(jí)判斷，如果是實(shí)時(shí)進(jìn)程，設(shè)置其調(diào)度類為rt_sched_class */
  52.         p->sched_class = &rt_sched_class;
  53.     } else {
  54.         /* 如果是普通進(jìn)程，設(shè)置其調(diào)度類為fair_sched_class */
  55.         p->sched_class = &fair_sched_class;
  56.     }
  57.     /* 調(diào)用調(diào)用類的task_fork函數(shù) */
  58.     if (p->sched_class->task_fork)
  59.         p->sched_class->task_fork(p);

  61.     /*
  62.      * The child is not yet in the pid-hash so no cgroup attach races,
  63.      * and the cgroup is pinned to this child due to cgroup_fork()
  64.      * is ran before sched_fork().
  65.      *
  66.      * Silence PROVE_RCU.
  67.      */
  68.     raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
  69.     /* 設(shè)置新進(jìn)程的CPU為當(dāng)前CPU */
  70.     set_task_cpu(p, cpu);
  71.     raw_spin_unlock_irqrestore(&p->pi_lock, flags);

  73. #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)
  74.     if (likely(sched_info_on()))
  75.         memset(&p->sched_info, 0, sizeof(p->sched_info));
  76. #endif
  77. #if defined(CONFIG_SMP)
  78.     p->on_cpu = 0;
  79. #endif
  80.     /* task_thread_info(p)->preempt_count = PREEMPT_DISABLED; */
  81.     /* 初始化該進(jìn)程為內(nèi)核禁止搶占 */
  82.     init_task_preempt_count(p);
  83. #ifdef CONFIG_SMP
  84.     plist_node_init(&p->pushable_tasks, MAX_PRIO);
  85.     RB_CLEAR_NODE(&p->pushable_dl_tasks);
  86. #endif
  87.     /* 使能搶占 */
  88.     put_cpu();
  89.     return 0;
  90. }

 　　在sched_fork()函數(shù)中，主要工作如下：

  • 獲取當(dāng)前CPU號(hào)
  • 禁止內(nèi)核搶占(這里基本就是關(guān)閉了搶占，因?yàn)閳?zhí)行到這里已經(jīng)是內(nèi)核態(tài)，又禁止了被搶占)
  • 初始化進(jìn)程p的一些變量(實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程通用的那些變量)
  • 設(shè)置進(jìn)程p的狀態(tài)為TASK_RUNNING(這一步很關(guān)鍵，因?yàn)橹挥刑幱赥ASK_RUNNING狀態(tài)下的進(jìn)程才會(huì)被調(diào)度器放入隊(duì)列中)
  • 根據(jù)父進(jìn)程和clone_flags參數(shù)設(shè)置進(jìn)程p的優(yōu)先級(jí)和權(quán)重。
  • 根據(jù)進(jìn)程p的優(yōu)先級(jí)設(shè)置其調(diào)度類(實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先級(jí):0~99　　普通進(jìn)程優(yōu)先級(jí):100~139)
  • 根據(jù)調(diào)度類進(jìn)行進(jìn)程p類型相關(guān)的初始化(這里就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程獨(dú)有的變量進(jìn)行初始化)
  • 設(shè)置進(jìn)程p的當(dāng)前CPU為此CPU。
  • 初始化進(jìn)程p禁止內(nèi)核搶占(因?yàn)楫?dāng)CPU執(zhí)行到進(jìn)程p時(shí)，進(jìn)程p還需要進(jìn)行一些初始化)
  • 使能內(nèi)核搶占

　　可以看出sched_fork()進(jìn)行的初始化也比較簡(jiǎn)單，需要注意的是不同類型的進(jìn)程會(huì)使用不同的調(diào)度類，并且也會(huì)調(diào)用調(diào)度類中的初始化函數(shù)。在實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度類中是沒有特定的task_fork()函數(shù)的，而普通進(jìn)程使用cfs策略時(shí)會(huì)調(diào)用到task_fork_fair()函數(shù)，我們具體看看實(shí)現(xiàn)：

  1. static void task_fork_fair(struct task_struct *p)
  2. {
  3.     struct cfs_rq *cfs_rq;
  4.     
  5.     /* 進(jìn)程p的調(diào)度實(shí)體se */
  6.     struct sched_entity *se = &p->se, *curr;
  7.     
  8.     /* 獲取當(dāng)前CPU */
  9.     int this_cpu = smp_processor_id();
  10.     
  11.     /* 獲取此CPU的運(yùn)行隊(duì)列 */
  12.     struct rq *rq = this_rq();
  13.     unsigned long flags;
  14.     
  15.     /* 上鎖并保存中斷記錄 */
  16.     raw_spin_lock_irqsave(&rq->lock, flags);
  17.     
  18.     /* 更新rq運(yùn)行時(shí)間 */
  19.     update_rq_clock(rq);
  20.     
  21.     /* cfs_rq = current->se.cfs_rq; */
  22.     cfs_rq = task_cfs_rq(current);
  23.     
  24.     /* 設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程所在隊(duì)列為父進(jìn)程所在隊(duì)列 */
  25.     curr = cfs_rq->curr;

  27.     /*
  28.      * Not only the cpu but also the task_group of the parent might have
  29.      * been changed after parent->se.parent,cfs_rq were copied to
  30.      * child->se.parent,cfs_rq. So call __set_task_cpu() to make those
  31.      * of child point to valid ones.
  32.      */
  33.     rcu_read_lock();
  34.     /* 設(shè)置此進(jìn)程所屬CPU */
  35.     __set_task_cpu(p, this_cpu);
  36.     rcu_read_unlock();

  38.     /* 更新當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間 */
  39.     update_curr(cfs_rq);

  41.     if (curr)
  42.         /* 將父進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時(shí)間賦給了新進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時(shí)間 */
  43.         se->vruntime = curr->vruntime;
  44.     /* 調(diào)整了se的虛擬運(yùn)行時(shí)間 */
  45.     place_entity(cfs_rq, se, 1);

  47.     if (sysctl_sched_child_runs_first && curr && entity_before(curr, se)) {
  48.         /*
  49.          * Upon rescheduling, sched_class::put_prev_task() will place
  50.          * 'current' within the tree based on its new key value.
  51.          */
  52.         swap(curr->vruntime, se->vruntime);
  53.         resched_curr(rq);
  54.     }

  56.     /* 保證了進(jìn)程p的vruntime是運(yùn)行隊(duì)列中最小的(這里占時(shí)不確定是不是這個(gè)用法，不過確實(shí)是最小的了) */
  57.     se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;
  58.     
  59.     /* 解鎖，還原中斷記錄 */
  60.     raw_spin_unlock_irqrestore(&rq->lock, flags);
  61. }

　　在task_fork_fair()函數(shù)中主要就是設(shè)置進(jìn)程p的虛擬運(yùn)行時(shí)間和所處的cfs隊(duì)列，值得我們注意的是 cfs_rq = task_cfs_rq(current); 這一行，在注釋中已經(jīng)表明task_cfs_rq(current)返回的是current的se.cfs_rq，注意se.cfs_rq保存的并不是根cfs隊(duì)列，而是所處的cfs_rq，也就是如果父進(jìn)程處于一個(gè)進(jìn)程組的cfs_rq中，新創(chuàng)建的進(jìn)程也會(huì)處于這個(gè)進(jìn)程組的cfs_rq中。

 

wake_up_new_task()

　　到這里新進(jìn)程關(guān)于調(diào)度的初始化已經(jīng)完成，但是還沒有被調(diào)度器加入到隊(duì)列中，其是在do_fork()中的wake_up_new_task(p)；中加入到隊(duì)列中的，我們具體看看wake_up_new_task()的實(shí)現(xiàn)：


  1. void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
  2. {
  3.     unsigned long flags;
  4.     struct rq *rq;

  6.     raw_spin_lock_irqsave(&p->pi_lock, flags);
  7. #ifdef CONFIG_SMP
  8.     /*
  9.      * Fork balancing, do it here and not earlier because:
  10.      * - cpus_allowed can change in the fork path
  11.      * - any previously selected cpu might disappear through hotplug
  12.      */
  13.      /* 為進(jìn)程選擇一個(gè)合適的CPU */
  14.     set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));
  15. #endif

  17.     /* Initialize new task's runnable average */
  18.     /* 這里是跟多核負(fù)載均衡有關(guān) */
  19.     init_task_runnable_average(p);
  20.     /* 上鎖 */
  21.     rq = __task_rq_lock(p);
  22.     /* 將進(jìn)程加入到CPU的運(yùn)行隊(duì)列 */
  23.     activate_task(rq, p, 0);
  24.     /* 標(biāo)記進(jìn)程p處于隊(duì)列中 */
  25.     p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
  26.     /* 跟調(diào)試有關(guān) */
  27.     trace_sched_wakeup_new(p, true);
  28.     /* 檢查是否需要切換當(dāng)前進(jìn)程 */
  29.     check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);
  30. #ifdef CONFIG_SMP
  31.     if (p->sched_class->task_woken)
  32.         p->sched_class->task_woken(rq, p);
  33. #endif
  34.     task_rq_unlock(rq, p, &flags);
  35. }
　　在wake_up_new_task()函數(shù)中，將進(jìn)程加入到運(yùn)行隊(duì)列的函數(shù)為activate_task(),而activate_task()函數(shù)最后會(huì)調(diào)用到新進(jìn)程調(diào)度類中的enqueue_task指針?biāo)负瘮?shù)，這里我們具體看一下cfs調(diào)度類的enqueue_task指針?biāo)负瘮?shù)enqueue_task_fair()：
  1. static void
  2. enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
  3. {
  4.     struct cfs_rq *cfs_rq;
  5.     struct sched_entity *se = &p->se;

  7.     /* 這里是一個(gè)迭代，我們知道，進(jìn)程有可能是處于一個(gè)進(jìn)程組中的，所以當(dāng)這個(gè)處于進(jìn)程組中的進(jìn)程加入到該進(jìn)程組的隊(duì)列中時(shí)，要對(duì)此隊(duì)列向上迭代 */
  8.     for_each_sched_entity(se) {
  9.         if (se->on_rq)
  10.             break;
  11.         /* 如果不是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED，獲取其所在CPU的rq運(yùn)行隊(duì)列的cfs_rq運(yùn)行隊(duì)列
  12.          * 如果是CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED，獲取其所在的cfs_rq運(yùn)行隊(duì)列
  13.          */
  14.         cfs_rq = cfs_rq_of(se);
  15.         /* 加入到隊(duì)列中 */
  16.         enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);

  18.         /*
  19.          * end evaluation on encountering a throttled cfs_rq
  20.          *
  21.          * note: in the case of encountering a throttled cfs_rq we will
  22.          * post the final h_nr_running increment below.
  23.         */
  24.         if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
  25.             break;
  26.         cfs_rq->h_nr_running++;

  28.         flags = ENQUEUE_WAKEUP;
  29.     }

  31.     /* 只有se不處于隊(duì)列中或者cfs_rq_throttled(cfs_rq)返回真才會(huì)運(yùn)行這個(gè)循環(huán) */
  32.     for_each_sched_entity(se) {
  33.         cfs_rq = cfs_rq_of(se);
  34.         cfs_rq->h_nr_running++;

  36.         if (cfs_rq_throttled(cfs_rq))
  37.             break;

  39.         update_cfs_shares(cfs_rq);
  40.         update_entity_load_avg(se, 1);
  41.     }

  43.     if (!se) {
  44.         update_rq_runnable_avg(rq, rq->nr_running);
  45.         /* 當(dāng)前CPU運(yùn)行隊(duì)列活動(dòng)進(jìn)程數(shù) + 1 */
  46.         add_nr_running(rq, 1);
  47.     }
  48.     /* 設(shè)置下次調(diào)度中斷發(fā)生時(shí)間 */
  49.     hrtick_update(rq);
  50. }
　　在enqueue_task_fair()函數(shù)中又使用了enqueue_entity()函數(shù)進(jìn)行操作，如下：
  1. static void
  2. enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
  3. {
  4.     /*
  5.      * Update the normalized vruntime before updating min_vruntime
  6.      * through calling update_curr().
  7.      */
  8.     if (!(flags & ENQUEUE_WAKEUP) || (flags & ENQUEUE_WAKING))
  9.         se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;

  11.     /*
  12.      * Update run-time statistics of the 'current'.
  13.      */
  14.     /* 更新當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間和虛擬運(yùn)行時(shí)間 */
  15.     update_curr(cfs_rq);
  16.     enqueue_entity_load_avg(cfs_rq, se, flags & ENQUEUE_WAKEUP);
  17.     /* 更新cfs_rq隊(duì)列總權(quán)重(就是在原有基礎(chǔ)上加上se的權(quán)重) */
  18.     account_entity_enqueue(cfs_rq, se);
  19.     update_cfs_shares(cfs_rq);

  21.     /* 新建的進(jìn)程flags為0，不會(huì)執(zhí)行這里 */
  22.     if (flags & ENQUEUE_WAKEUP) {
  23.         place_entity(cfs_rq, se, 0);
  24.         enqueue_sleeper(cfs_rq, se);
  25.     }

  27.     update_stats_enqueue(cfs_rq, se);
  28.     check_spread(cfs_rq, se);
  29.     
  30.     /* 將se插入到運(yùn)行隊(duì)列cfs_rq的紅黑樹中 */
  31.     if (se != cfs_rq->curr)
  32.         __enqueue_entity(cfs_rq, se);
  33.     /* 將se的on_rq標(biāo)記為1 */
  34.     se->on_rq = 1;

  36.     /* 如果cfs_rq的隊(duì)列中只有一個(gè)進(jìn)程，這里做處理 */
  37.     if (cfs_rq->nr_running == 1) {
  38.         list_add_leaf_cfs_rq(cfs_rq);
  39.         check_enqueue_throttle(cfs_rq);
  40.     }
  41. }

 

總結(jié)

　　需要注意的幾點(diǎn)：

  • 新創(chuàng)建的進(jìn)程先會(huì)進(jìn)行調(diào)度相關(guān)的結(jié)構(gòu)體和變量初始化，其中會(huì)根據(jù)不同的類型進(jìn)行不同的調(diào)度類操作，此時(shí)并沒有加入到隊(duì)列中。
  • 當(dāng)新進(jìn)程創(chuàng)建完畢后，它的父進(jìn)程會(huì)將其運(yùn)行狀態(tài)置為TASK_RUNNING，并加入到運(yùn)行隊(duì)列中。
  • 加入運(yùn)行隊(duì)列時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)CPU的負(fù)載情況放入不同的CPU隊(duì)列中。






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