簡(jiǎn)單講解Linux進(jìn)程調(diào)度器-進(jìn)程切換
說明：
Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
進(jìn)程切換：內(nèi)核將CPU上正在運(yùn)行的進(jìn)程掛起，選擇下一個(gè)進(jìn)程來運(yùn)行。ARM架構(gòu)中，CPU上一次只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，內(nèi)核需要為任務(wù)分配運(yùn)行時(shí)間來進(jìn)行調(diào)度，以便同時(shí)能處理多個(gè)任務(wù)請(qǐng)求。如下圖所示：
當(dāng)進(jìn)行任務(wù)切換的時(shí)候，思考下兩個(gè)問題：
怎樣通過搶占來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的切換？
當(dāng)進(jìn)程切換的時(shí)候，到底切換的什么，是怎么實(shí)現(xiàn)的？
這兩個(gè)問題，也是本文探討的主題了。
2. 搶占
2.1 用戶搶占
2.1.1 搶占觸發(fā)點(diǎn)
可以觸發(fā)搶占的情況很多，比如進(jìn)程的時(shí)間片耗盡、進(jìn)程等待在某些資源上被喚醒時(shí)、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)改變等。Linux內(nèi)核是通過設(shè)置
TIF_NEED_RESCHED標(biāo)志來對(duì)進(jìn)程進(jìn)行標(biāo)記的，設(shè)置該位則表明需要進(jìn)行調(diào)度切換，而實(shí)際的切換將在搶占執(zhí)行點(diǎn)來完成。
不看代碼來講結(jié)論，那都是耍流氓。先看一下兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體：struct task_struct和struct thread_info。我們?cè)谇斑叺奈恼轮幸仓v過struct task_struct用于描述任務(wù)，該結(jié)構(gòu)體的首個(gè)字段放置的正是struct thread_info，struct thread_info結(jié)構(gòu)體中flag字段就可用于設(shè)置TIF_NEED_RESCHED，此外該結(jié)構(gòu)體中的preempt_count也與搶占相關(guān)。
看看具體哪些函數(shù)過程中，設(shè)置了TIF_NEED_RESCHED標(biāo)志吧：
內(nèi)核提供了
set_tsk_need_resched函數(shù)來將thread_info中flag字段設(shè)置成TIF_NEED_RESCHED；設(shè)置了
TIF_NEED_RESCHED標(biāo)志，表明需要發(fā)生搶占調(diào)度；
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2.1.2 搶占執(zhí)行點(diǎn)
用戶搶占：搶占執(zhí)行發(fā)生在進(jìn)程處于用戶態(tài)。搶占的執(zhí)行，最明顯的標(biāo)志就是調(diào)用了schedule()函數(shù)，來完成任務(wù)的切換。具體來說，在用戶態(tài)執(zhí)行搶占在以下幾種情況：
異常處理后返回到用戶態(tài)；
中斷處理后返回到用戶態(tài)；
系統(tǒng)調(diào)用后返回到用戶態(tài)；
如下圖：
ARMv8有4個(gè)Exception Level，其中用戶程序運(yùn)行在EL0，OS運(yùn)行在EL1，Hypervisor運(yùn)行在EL2，Secure monitor運(yùn)行在EL3；
用戶程序在執(zhí)行過程中，遇到異?；蛑袛嗪?，將會(huì)跳到
ENTRY(vectors)向量表處開始執(zhí)行；返回用戶空間時(shí)進(jìn)行標(biāo)志位判斷，設(shè)置了
TIF_NEED_RESCHED則需要進(jìn)行調(diào)度切換，沒有設(shè)置該標(biāo)志，則檢查是否有收到信號(hào)，有信號(hào)未處理的話，還需要進(jìn)行信號(hào)的處理操作；
2.2 內(nèi)核搶占
Linux內(nèi)核有三種內(nèi)核搶占模型，先上圖：
CONFIG_PREEMPT_NONE：不支持搶占，中斷退出后，需要等到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)主動(dòng)讓出CPU才發(fā)生搶占切換；
CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY：自愿搶占，代碼中增加搶占點(diǎn)，在中斷退出后遇到搶占點(diǎn)時(shí)進(jìn)行搶占切換；
CONFIG_PREEMPT：搶占，當(dāng)中斷退出后，如果遇到了更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，立即進(jìn)行任務(wù)搶占；
2.2.1 搶占觸發(fā)點(diǎn)
在內(nèi)核中搶占觸發(fā)點(diǎn)，也是設(shè)置
struct thread_info的flag字段，設(shè)置TIF_NEED_RESCHED表明需要請(qǐng)求重新調(diào)度。搶占觸發(fā)點(diǎn)的幾種情況，在用戶搶占中已經(jīng)分析過，不管是用戶搶占還是內(nèi)核搶占，觸發(fā)點(diǎn)都是一致的；
2.2.2 搶占執(zhí)行點(diǎn)
內(nèi)核搶占：搶占執(zhí)行發(fā)生在進(jìn)程處于內(nèi)核態(tài)。
總體而言，內(nèi)核搶占執(zhí)行點(diǎn)可以歸屬于兩大類：
中斷執(zhí)行完畢后進(jìn)行搶占調(diào)度；
主動(dòng)調(diào)用
preemp_enable或schedule等接口的地方進(jìn)行搶占調(diào)度；
2.3 preempt_count
Linux內(nèi)核中使用
struct thread_info中的preempt_count字段來控制搶占。preempt_count的低8位用于控制搶占，當(dāng)大于0時(shí)表示不可搶占，等于0表示可搶占。preempt_enable()會(huì)將preempt_count值減1，并判斷是否需要進(jìn)行調(diào)度，在條件滿足時(shí)進(jìn)行切換；preempt_disable()會(huì)將preempt_count值加1；
此外，preemt_count字段還用于判斷進(jìn)程處于各類上下文以及開關(guān)控制等，如圖：
3. 上下文切換
進(jìn)程上下文：包含CPU的所有寄存器值、進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)、堆棧中的內(nèi)容等，相當(dāng)于進(jìn)程某一時(shí)刻的快照，包含了所有的軟硬件信息；
進(jìn)程切換時(shí)，完成的就是上下文的切換，進(jìn)程上下文的信息會(huì)保存在每個(gè)
struct task_struct結(jié)構(gòu)體中，以便在切換時(shí)能完成恢復(fù)工作；
進(jìn)程上下文切換的入口就是__schedule()，分析也圍繞這函數(shù)展開。
3.1?__schedule()
__schedule()函數(shù)調(diào)用分析如下：
主要的邏輯：
根據(jù)CPU獲取運(yùn)行隊(duì)列，進(jìn)而得到運(yùn)行隊(duì)列當(dāng)前的
task，也就是切換前的prev;根據(jù)
prev的狀態(tài)進(jìn)行處理，比如pending信號(hào)的處理等，如果該任務(wù)是一個(gè)worker線程還需要將其睡眠，并喚醒同CPU上的另一個(gè)worker線程;根據(jù)調(diào)度類來選擇需要切換過去的下一個(gè)
task，也就是next；context_switch完成進(jìn)程的切換；
3.2?context_switch()
context_switch()的調(diào)用分析如下：
核心的邏輯有兩部分：
進(jìn)程的地址空間切換：切換的時(shí)候要判斷切入的進(jìn)程是否為內(nèi)核線程，1）所有的用戶進(jìn)程都共用一個(gè)內(nèi)核地址空間，而擁有不同的用戶地址空間；2）內(nèi)核線程本身沒有用戶地址空間。在進(jìn)程在切換的過程中就需要對(duì)這些因素來考慮，涉及到頁表的切換，以及cache/tlb的刷新等操作。寄存器的切換：包括CPU的通用寄存器切換、浮點(diǎn)寄存器切換，以及ARM處理器相關(guān)的其他一些寄存器的切換；
進(jìn)程的切換，帶來的開銷不僅是頁表切換和硬件上下文的切換，還包含了Cache/TLB刷新后帶來的miss的開銷。在實(shí)際的開發(fā)中，也需要去評(píng)估新增進(jìn)程帶來的調(diào)度開銷。
原文作者：LoyenWang
