schedulelinux

Ⅰ 一文解析linux進程的睡眠和喚醒

在Linux中，進程的睡眠與喚醒是一個關鍵概念。當進程執行完時間片後，Linux內核會通過調度器選擇下一個進程，使之獲取CPU控制權。此外，進程也可以主動通過調用`schele()`函數釋放CPU控制權，使其他進程運行。當進程需要等待特定事件發生，如設備初始化完成或I/O操作結束時，它會進入睡眠狀態，從運行隊列移出，加入等待隊列。

Linux中的進程睡眠有兩種狀態：可中斷的睡眠與不可中斷的睡眠。可中斷的睡眠進程在滿足特定條件時被喚醒，如硬體中斷、系統資源釋放或信號傳遞。而不可中斷的睡眠狀態較為少見，主要用於進程必須等待特定事件，直到事件發生而不會被中斷。

Linux操作系統中，進程通常通過`schele()`函數進入睡眠狀態。程序首先存儲進程結構指針，然後使用`set_current_state()`將進程狀態從執行狀態改為睡眠狀態。如果`schele()`被處於睡眠狀態的進程調用，進程將從運行隊列中移出。要喚醒睡眠中的進程，可以使用`wake_up_process()`函數，這將改變進程狀態並將其加入運行隊列，等待下一次調度。

然而，進程有時可能因競爭條件而進入無效喚醒狀態，導致無限期睡眠。這個問題發生在進程檢查條件後，狀態未被改為睡眠狀態之前。解決方法是將判斷條件與狀態更改合並為一個步驟，消除競爭條件，確保喚醒過程有效。

為了在Linux內核中避免無效喚醒，應使用特定的內核函數進行進程睡眠。例如，`DECLARE_WAITQUEUE()`用於創建等待隊列的項，`add_wait_queue()`將進程加入等待隊列並更改狀態為可中斷狀態。然後，進程循環檢查條件，如果條件滿足，設置狀態為運行狀態並移出等待隊列。若條件未滿足，調用`schele()`使進程重新調度。這種設計確保進程在條件滿足時能夠及時退出睡眠狀態，避免無效喚醒。

在Linux內核中，代碼示例展示了如何通過合理設計避免無效喚醒。通過在檢查條件之前設置進程狀態為睡眠狀態，確保即使在條件滿足時進程也不會錯誤地進入睡眠，從而有效避免了無效喚醒問題。

原文作者：Linux內核那些事

參考資源：內核技術中文網 - 構建全國最權威的內核技術交流分享論壇

Ⅱ linux 什麼時候調用schele

Linux在眾多進程中是怎麼進行調度的，這個牽涉到Linux進程調度時機的概念，由Linux內核中Schele（）的函數來決定是否要進行進程的切換，如果要切換的話，切換到哪個進程等等。
Linux進程調度時機主要有：
1、進程狀態轉換的時刻：進程終止、進程睡眠；
2、當前進程的時間片用完時（current->counter=0）；
3、設備驅動程序
4、進程從中斷、異常及系統調用返回到用戶態時；
時機1，進程要調用sleep（）或exit（）等函數進行狀態轉換，這些函數會主動調用調度程序進行進程調度；
時機2，由於進程的時間片是由時鍾中斷來更新的，因此，這種情況和時機4是一樣的。
時機3，當設備驅動程序執行長而重復的任務時，直接調用調度程序。在每次反復循環中，驅動程序都檢查need_resched的值，如果必要，則調用調度程序schele()主動放棄CPU。
時機4，如前所述，不管是從中斷、異常還是系統調用返回，最終都調用ret_from_sys_call（），由這個函數進行調度標志的檢測，如果必要，則調用調用調度程序。那麼，為什麼從系統調用返回時要調用調度程序呢？這當然是從效率考慮。從系統調用返回意味著要離開內核態而返回到用戶態，而狀態的轉換要花費一定的時間，因此，在返回到用戶態前，系統把在內核態該處理的事全部做完。
對於直接執行調度程序的時機，我們不討論，因為後面我們將會描述調度程序的工作過程。前面我們討論了時鍾中斷，知道了時鍾中斷的重要作用，下面我們就簡單看一下每個時鍾中斷發生時內核要做的工作，首先對這個最頻繁的調度時機有一個大體了解，然後再詳細討論調度程序的具體工作過程。
每個時鍾中斷（timer interrupt）發生時，由三個函數協同工作，共同完成進程的選擇和切換，它們是：schele（）、do_timer（）及ret_form_sys_call（）。我們先來解釋一下這三個函數：
schele（）：進程調度函數，由它來完成進程的選擇（調度）；
do_timer（）：暫且稱之為時鍾函數，該函數在時鍾中斷服務程序中被調用，是時鍾中斷服務程序的主要組成部分，該函數被調用的頻率就是時鍾中斷的頻率即每秒鍾100次（簡稱100赫茲或100Hz）；
ret_from_sys_call（）：系統調用返回函數。當一個系統調用或中斷完成時，該函數被調用，用於處理一些收尾工作，例如信號處理、核心任務等等。
這三個函數是如何協調工作的呢？
前面我們看到，時鍾中斷是一個中斷服務程序，它的主要組成部分就是時鍾函數do_timer（），由這個函數完成系統時間的更新、進程時間片的更新等工作，更新後的進程時間片counter作為調度的主要依據。
在時鍾中斷返回時，要調用函數ret_from_sys_call（），前面我們已經討論過這個函數，在這個函數中有如下幾行：
cmpl $0, _need_resched
jne reschele
……
restore_all:
RESTORE_ALL

reschele:
call SYMBOL_NAME(schele)
jmp ret_from_sys_call

這幾行的意思很明顯：檢測 need_resched 標志，如果此標志為非0，那麼就轉到reschele處調用調度程序schele（）進行進程的選擇。調度程序schele（）會根據具體的標准在運行隊列中選擇下一個應該運行的進程。當從調度程序返回時，如果發現又有調度標志被設置，則又調用調度程序，直到調度標志為0，這時，從調度程序返回時由RESTORE_ALL恢復被選定進程的環境，返回到被選定進程的用戶空間，使之得到運行。
以上就是時鍾中斷這個最頻繁的調度時機。討論這個的主要目的使讀者對時機4有個大致的了解。
另外，TIF_NEED_RESCHED的設置時機 :
設置這個標志的函數主要有兩個: resched_task(),set_tsk_need_resched().主要是resched_task,而resched_task的調用者 check_preempt_curr更是通過:try_to_wake_up/wake_up_new_task/pull_task /__migrate_task 這些被廣泛使用的函數, 從而分布在內核中大量的檢查點有機會搶占進程.

最後要說明的是，系統調用返回函數ret_from_sys_call（）是從系統調用、異常及中斷返回函數通常要調用的函數，但並不是非得調用，對於那些要經常被響應的和要被盡快處理的中斷請求信號，為了減少系統開銷，處理完成後並不調用 ret_from_sys_call（）（因為很顯然的，從這些中斷處理程序返回到的用戶空間肯定是那個被中斷的進程，無需重新選擇），並且，它們作的工作要盡可能少，因為響應的頻率太高了。
Linux進程調度和其他的UNIX進程調度不同，尤其是在「nice level」優先順序的處理上，與優先權調度（priority高的進程最先運行）不同，Linux用的是時間片輪轉調度（Round Robing），但同時又保證了高優先順序的進程運行的既快、時間又長（both sooner and longer）。而標準的UNIX調度程序都用到了多級進程隊列。大多數的實現都用到了二級優先隊列：一個標准隊列和一個實時（「real time」）隊列。一般情況下，如果實時隊列中的進程未被阻塞，它們都要在標准隊列中的進程之前被執行，並且，每個隊列中，「nice level」高的進程先被執行。
總體上，Linux 調度序程在交互性方面表現很出色，當然了，這是以犧牲一部分「吞吐量」為代價的。