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基于嵌入式Linux中進程調度實現方法

21ic 2019-07-25 12:37:02

[導讀] 處理機(CPU)是整個計算機系統的核心資源,在多進程的操作系統中,進程數往往多于處理機數,這將導致各進程互相爭奪處理機。進程調度對系統功能的實現 及各方面的性能都有著決定性的影響,其實質就是把處理機公平、合理、高效地分配給各個進程。調度是實現多任務并發執行的必要手段,不同的操作系統有著不同 的調度目標。在傳統的Unix類分時系統中,保證多個進程公平地使用系統資源,提供較好的響應時間是調度的主要目標;而在強實時操作系統中,總是優先級高 的任務優先獲得處理機的使用權。

Linux是一套免費使用和自由傳播的類UNIx操作系統,是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。它能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網絡協議。

 

1.前言

處理機(CPU)是整個計算機系統的核心資源,在多進程的操作系統中,進程數往往多于處理機數,這將導致各進程互相爭奪處理機。進程調度對系統功能的實現 及各方面的性能都有著決定性的影響,其實質就是把處理機公平、合理、高效地分配給各個進程。調度是實現多任務并發執行的必要手段,不同的操作系統有著不同 的調度目標。在傳統的Unix類分時系統中,保證多個進程公平地使用系統資源,提供較好的響應時間是調度的主要目標;而在強實時操作系統中,總是優先級高 的任務優先獲得處理機的使用權。

 

 

Linux具有內核穩定、功能強大、可裁減、低成本等特點,非常適合嵌入式應用。但是Linux內核本身并不具備 強實時特性,且內核體積較大,因此,想要把Linux用于嵌入式系統,必須對Linux進行實時化、嵌入式化。Linux結合實時進程和非實時進程(普通 進程)自身的特點,綜合了上述幾種調度策略,實現了高效、靈活的進程調度。

 

2.Linux進程調度分析

2.1 Linux進程狀態的描述

Linux將進程狀態描述為如下五種:

 

TASK_RUNNING:可運行狀態。處于該狀態的進程可以被調度執行而成為當前進程。

 

TASK_INTERRUPTIBLE:可中斷的睡眠狀態。處于該狀態的進程在所需資源有效時被喚醒,也可以通過信號或定時中斷喚醒。

 

TASK_UNINTERRUPTIBLE:不可中斷的睡眠狀態。處于該狀態的進程僅當所需資源有效時被喚醒。

 

TASK_ZOMBIE:僵尸狀態。表示進程結束且已釋放資源,但其task_STruct仍未釋放。

 

TASK_STOPPED:暫停狀態。處于該狀態的進程通過其他進程的信號才能被喚醒。

 

2.2 調度方式

Linux中的每個進程都分配有一個相對獨立的虛擬地址空間。該虛存空間分為兩部分:用戶空間包含了進程本身的代碼和數據;內核空間包含了操作系統的代碼和數據。

 

Linux采用“有條件的可剝奪”調度方式。對于普通進程,當其時間片結束時,調度程序挑選出下一個處于TASK_RUNNING狀態的進程作為當前進程 (自愿調度)。對于實時進程,若其優先級足夠高,則會從當前的運行進程中搶占CPU成為新的當前進程(強制調度)。發生強制調度時,若進程在用戶空間中運 行,就會直接被剝奪CPU;若進程在內核空間中運行,即使迫切需要其放棄CPU,也仍要等到從它系統空間返回的前夕才被剝奪CPU

 

3.調度策略

3.1 三種調度策略

(1)SCHED_OTHER。SCHED_OTHER是面向普通進程的時間片輪轉策略。采用該策略時,系統為處于TASK_RUNNING狀態的每個進程分配一個時間片。當時間片用完時,進程調度程序再選擇下一個優先級相對較高的進程,并授予CPU使用權。

 

(2)SCHED_FIFO。SCHED_FIFO策略適用于對響應時間要求比較高,運行所需時間比較短的實時進程。采用該策略時,各實時進程按其進入可 運行隊列的順序依次獲得CPU。除了因等待某個事件主動放棄CPU,或者出現優先級更高的進程而剝奪其CPU之外,該進程將一直占用CPU運行。

 

(3)SCHED_RR。SCHED_RR策略適用于對響應時間要求比較高,運行所需時間比較長的實時進程。采用該策略時,各實時進程按時間片輪流使用CPU。當一個運行進程的時間片用完后,進程調度程序停止其運行并將其置于可運行隊列的末尾。

 

3.2 進程調度依據

Linux只有一個可運行隊列,處于TASK_RUNNING狀態的實時進程和普通進程都加入到這個可運行隊列中。Linux的進程調度采用了動態優先級 和權值調控的方法,既可實現上述三種調度策略,又能保證實時進程總是比普通進程優先使用CPU。描述進程的數據結構task_struct中用以下幾個數 據作為調度依據:

 

Struct task_struct {

 

……

 

volaTIle lONg need_resched; /*是否需要重新調度*/long counter; /*進程當前還擁有的時間片*/

 

long nice; /*普通進程的動態優先級,來自UNIX系統*/unsigned long policy; /*進程調度策略*/

 

unsigned long rt_priority; /*實時進程的優先級*/……

 

};

 

counter的值是動態變化的,進程運行時,每一個時鐘滴答后,其值減1。當counter值為0時,表示該進程時間片已用完,該進程回到可運行隊列中,等待再次調度。

 

為保證實時進程優于普通進程,Linux采取加權處理法。在進程調度過程中,每次選取下一個運行進程時,調度程序首先給可運行隊列中的每個進程賦予一個權 值weight。普通進程的權值就是其counter和優先級nice的綜合,而實時進程的權值是它的rt_priority的值加1000,確保實時進 程的權值總能大于普通進程。調度程序檢查可運行隊列中所有進程的權值,選取權值最大者作為下一個運行進程,保證了實時 進程優先于普通進程獲得CPULinux使用內核函數goodness()對進程進行加權處理:

 

StaTIc inline goodness (struct task_struct * pint this_cpu, struct mm_struct *this_mm){

 

Int weight;

 

Weight=-1;

 

/*判斷如果任務的調度策略被置為SCHED_YIELD的話,則置權值為-1,返回。系統調用SCHED_YIELD表示為“禮讓”進程,其權值為最低*/If (p-》policy & SCHED_YIELD)

 

goto out;

 

/*先對普通進程進行處理(由于多數是普通進程,這樣做有利于提高系統效率)*/If (p-》policy==SCHED_OTHER){

 

weight=p-》counter; /*返回權值為進程的counter值*//*如果當前進程的counter為0,則表示當前進程的時間片已用完,直接返回*/If (! weight)

 

Goto out;

 

#Ifdef CONFIG_SMP

 

If (p-》processor==this_cpu)

 

Weight+=PROC_CHANGE_PENALTY;

 

#Endif

 

/*對進程權值進行微調,如果進程的內存空間使用當前正在運行的進程的內存空間,則權值額外加1*/If (p-》mm==this_mm||! p-》mm)

 

Weight+=1;

 

/*將權值加上20與進程優先級nice的差。普通進程的權值主要由counter值和nice值組成*/Weight+=20-p-》nice;

 

Goto out;

 

}

 

/*對實時進程進行處理,返回權值為rt_priority+1000,確保優先級高于普通進程*/Weight=1000+p-》rt_priority;

 

Out:

 

return weight;

 

}

 

從goodness()函數可以看出,對于普通進程,其權值主要取決于剩余的時間配額和nice兩個因素。nice的規定取值范圍為19~-20,只有特 權用戶才能把nice值設為負數,而表達式(20-p-》nice)掉轉方向成為1~40。所以,綜合的權值在時間片尚未用完時基本上是兩者之和。 如果是內核進程,或者其用戶空間與當前進程相同,則權值將額外加1作為獎勵。對于實時進程,其權值為1000+p-》rt_priority,當 p-》counter達到0時該進程將移到隊列的尾部,但其優先級仍不少于1000。可見當有實時進程就緒時,普通進程是沒機會運行的。

 

由此可以看出,通過goodness()函數,Linux從優先考慮實時進程出發,實現了多種調度策略的統一處理,其設計思想可謂非常巧妙。

 

3.3 進程調度

Linux的進程調度由調度程序schedule()完成,通過對schedule()的分析能更好理解調度的過程。schedule()首先判斷當前運行進程是否具有SCHED_RR 標志,本文取一部分加以分析:

 

if (prev-》policy==SCHED_RR) /*如果是輪轉調度,先作goto特殊處理*/Goto move_rr_last;

 

……

 

Move_rr_last:

 

If (! prev-》counter){ /*如果counter減至0*/Prev-》counter=NICE_TO_TICKS (prev-》nice);Move_last_runqueue (prev);

 

}

 

Goto move_rr_back;

 

prev-》counter代表當前進程的運行時間配額,其值逐漸減小。一旦減至0,就要從可執行隊列runqueue中當前的位置移到末尾,宏操 作NICE_TO_TICKS根據系統時鐘的精度將進程的優先級別換算成可以運行的時間配額,即恢復其初始的時間配額。把該進程移到末尾意味著:如果沒有 權值更高的進程,但是有一個權值與這相同的進程存在,那么,那個權值相同而排列在前的進程就會被選中,從而顧全了大局。

 

接下來調度函數查詢當前運行進程的狀態是否改變:

 

Move_rr_back:

 

switch(prev-》state){ /*查看進程當前的狀態*/Case TASK_INTERRUPTIBLE:

 

if (signal pending(prev)){ /*判斷運行期間是否收到信號*/Prev-》state=TASK_RUNNING;

 

Break;

 

}

 

default: /*當前運行進程處于非TASK_RUNNING狀態*/Del_from_runqueue (prev);

 

Case TASK_RUNNING:

 

}

 

Prev-》need_resched=0;

 

容易理解:如果發現進程處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態且有信號等待處理,則內核將其狀態設為TASK_RUNNING,讓其處理完信號, 接下來仍有機會獲得CPU;如果沒有信號等待,則將其從可運行隊列中撤下來;如果處于TASK_RUNNING狀態,則繼續進行。然后,將 prev-》need_resched的值恢復成0,因為所需的調度已經在運行。

 

Repeat schedule ():

 

next=idle_task(this_cpu); /*next指向最佳候選進程*/c=-1000;  /*進程的綜合權值,初始時是0號進程,-1000是可能的最低值*/If (prev-》state==TASK_RUNNING)

 

Goto still_running;

 

Still_running_back:

 

List_for_each (tmp, &runqueue_head){

 

P=list_entry (tmp, struct task_struct, run_list);if (can_schedule(p,this_cpu)){ /*計算p指向的進程的權值*/Int weight=goodness (p, this_cpu, prev-》active_mm);if (weight》c) /*比較權值大小*/

 

C=weight, next=p;

 

}

 

}

 

調度之前,將待調度的進程默認為0號進程,權值置為-1000。0號進程比較特別,既不會睡眠,又不能被殺死。接下來內核遍歷可執行隊列run queue中的每個進程,為每個進程通過goodness()函數計算出它當前所具有的權值,然后與當前的最高值c相比。如果兩個進程具有相同權值的話, 那么排在前面的進程勝出。

 

Still_running:

 

C=goodness (prev, this_cpu, prev-》active_mm);Next=prev;

 

Goto still_running_back;

 

上面的代碼告訴我們,如果當前進程想要繼續運行,那么在挑選進程時以當前進程此刻的權值開始。這意味著,相對于權值相同的其他進程來說,當前進程優先。

 

若發現當前已選進程的權值為0,則需要重新計算各個進程的時間配額,schedule()將轉入recalculate部分。限于篇幅,在此不再展開。

 

4.結束語

以上結合代碼簡要介紹了Linux中進程調度的基本思想、依據和策略,容易發現Linux高效率和較強支持并發進程等特點。近年來,嵌入式Linux的研 究正在成為一個熱點,理解Linux進程調度的原理,并在此基礎上改進調度算法可能存在的缺陷,可以進一步增強其對實時性的支持,使之進一步適應在嵌入式 系統領域內的應用。

[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  Linux[21]    計算機[1]    CPU[21]
 
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