Linux进程调度中队列的使用

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Linux进程调度中队列的使用

作者:西邮 王聪

Linux内核中大量使用了队列,这里仅列举它在进程调度中的几处应用。Linux内核中的队列是以双链表的形式连接起来的,include/linux/list.h中定义了队列并提供了一些接口,详细的介绍可以参考[1]中的附录。

Linux中的进程有如下几个主要状态:

进程状态

说明

TASK_RUNNING

进程正在运行或将要被运行。

TASK_INTERRUPTIBLE

进程正在睡眠,等待某个条件的完成。

TASK_UNINTERRUPTIBLE

深度睡眠,不会被信号打扰。

TASK_STOPPED

进程运行被停止。

TASK_TRACED

进程被调试程序停止,被另一个进程跟踪。

两个额外的状态是EXIT_ZOMBIEEXIT_DEAD,表示进程处于僵死状态还是真正死亡。处于僵死状态的进程会等待其父进程的收养(否则就会被init进程收养),而真正死亡的进程会被直接删除。

状态为TASK_RUNNING的进程都会被放入运行队列(runqueue)中,这是通过task_struct(定义在include/linux/sched.h)中的run_list成员来链接的。不过,为了让内核每次都能选取优先级最合适的进程,Linux为每个优先级构建了一个queue。这是通过struct prio_array来实现的,struct prio_array的定义在kernel/sched.c,大致如下:

struct prio_array {

int nr_active;

unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE];

struct list_head queue[MAX_PRIO];

};

queue成员就是队列数组。每个CPU有各自的runqueue,每一个runqueue又有包含两个prio_array,一个是活动队列,一个是时间片耗尽的队列。当运行队列空时,内核便会交换两个队列的指针,原来的耗尽队列就成了新的活动队列!这和prio_array中的bitmap是决定调度算法为O(1)的关键。

状态为TASK_STOPPEDEXIT_ZOMBIEEXIT_DEAD的进程不会被放入专门的队列中,它们直接通过pid或者通过父进程的孩子队列来访问。

TASK_INTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程会被放入等待队列。不同的是,每个等待事件都会有一个等待队列,该队列中的进程等待同一事件的完成。(“事件”一个动态的过程,不好通过具体的结构来定义一个“事件”。这里等待一个事件就是查看某个条件是否为真,比如某个标志变量是否为真。)wait_queue_head_t的定义在include/linux/wait.h中,如下:

typedef struct _ _wait_queue_head {

spinlock_t lock;

struct list_head task_list;

}wait_queue_head_t;

wait_queue_t的定义如下:

typedef struct _ _wait_queue {

unsigned int flags;

struct task_struct * task;

wait_queue_func_t func;

struct list_head task_list;

}wait_queue_t;

进入等待状态的接口有两类:

prepare_to_wait*()/finish_wait()

wait_event*()

其实wait_event*()内部也是调用prepare_to_wait*(),把它放入一个循环中。而且wait_event*()在事件完成时会自动调用finish_wait()。决定使用哪个要看情况而定。(sleep_on*()是遗弃的接口,现在已经不再使用,虽然还支持。)等待队列中的进程有两种,一种是exclusive的进程,另一种是nonexclusive的进程。所谓exclusive是指唤醒的进程等待的资源是互斥的,每次只唤醒一个(唤醒多个也可以,不过最后还是只有一个会被唤醒,其余的又被重新添加到等待队列中,这样效率会大打折扣)。一般,等待函数会把进程设为nonexclusiveuninterruptible,带“interruptible”的会专门指定状态为interruptible;而带“timeout”的会在超时后退出,因为它会调用schedule_timeout();带“exclusive”的则会把进程设为exclusive

唤醒的接口虽然只有wake_up*(),但它内部也分成好几种。带“interruptible”的唤醒函数只会唤醒状态是TASK_INTERRUPTIBLE的进程,而不带的则会唤醒TASK_INTERRUPTIBLETASK_UNINTERRUPTIBLE的进程;所有唤醒函数都会把等待同一事件的nonexclusive进程全部唤醒,或者把其中一个exclusive的进程唤醒;而带“nr”的则会唤醒指定个数的exclusive的进程,带“all”的会把全部exclusive进程唤醒。带“sync”会忽略优先级的检查,高优先级的进程可能会被延迟。最后,持有自旋锁时只能调用wait_up_locked()

进程管理是Linux内核中最关键的部分,它的性能几乎直接决定着内核的好坏,其中使用的一些设计和算法非常复杂。这里仅仅是介绍了队列在其中的使用情况,更深入的探索还有待继续去探索。

参考资料:

  1. Linux Kernel Development, Second Edition, Robert Love, Sam Publishing.

  2. Understanding the Linux Kernel, 3rd Edition, Daniel P. Bovet, Marco Cesati, O'Reilly.

  3. The Linux Kernel Primer: A Top-Down Approach for x86 and PowerPC ArchitecturesClaudia Salzberg Rodriguez, Gordon Fischer, Steven Smolski, Prentice Hall PTR.

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