Linux 进程管理之调度和进程切换知识点

什么是调度？按照某种调度算法，从进程的ready队列中选择进程给CPU。
为什么要调度？为了最大限度的利用CPU。

调度相关结构体

task_struct

我们先把task_struct中和调度相关的结构拎出来：
struct task_struct {
......
/*
*调度类。用 sched_class 对调度器进行抽象
*Stop调度器:stop_sched_class
*Deadline调度器:dl_sched_class
*RT调度器:rt_sched_class
*CFS调度器:cfs_sched_class
*IDLE-Task调度器:idle_sched_class
*/
const struct sched_class *sched_class;
//CFS调度实体
struct sched_entity  se;
//RT调度实体
struct sched_rt_entity  rt;
......
#ifdef CONFIG_CGROUP_SCHED
//任务组（在每个CPU上都会维护一个CFS调度实体、CFS运行队列; RT调度实体，RT运行队列）
struct task_group  *sched_task_group;
#endif
//DL调度实体
struct sched_dl_entity  dl;
......
/*
*进程的调度策略,有6种。
*限期进程调度策略:SCHED_DEADLINE。DL调度器
*实时进程调度策略:SCHED_FIFO，SCHED_RR。RT调度器
*普通进程调度策略:SCHED_NORMAL，SCHED_BATCH，SCHED_IDLE。CFS调度器
*/
unsigned int   policy;
......
}

• struct sched_class 对调度器进行抽象，一共分为5类：

1. Stop调度器：优先级最高的调度类，可以抢占其他所有进程，不能被其他进程抢占；
2. Deadline调度器：使用红黑树，把进程按照绝对截止期限进行排序，选择最小进程进行调度运行；
3. RT调度器：为每个优先级维护一个队列；
4. CFS调度器：采用完全公平调度算法，引入虚拟运行时间概念；
5. IDLE-Task调度器：每个CPU都会有一个idle线程，当没有其他进程可以调度时，调度运行idle线程；

• unsigned int policy 进程的调度策略有6种，用户可以调用调度器里的不同调度策略：

1. SCHED_DEADLINE：使task选择Deadline调度器来调度运行
2. SCHED_RR：时间片轮转，进程用完时间片后加入优先级对应运行队列的尾部，把CPU让给同优先级的其他进程；
3. SCHED_FIFO：先进先出调度没有时间片，没有更高优先级的情况下，只能等待主动让出CPU；
4. SCHED_NORMAL：使task选择CFS调度器来调度运行；
5. SCHED_BATCH：批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行；
6. SCHED_IDLE：使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行；

• struct sched_entity se；采用CFS算法调度的普通非实时进程的调度实体
• struct sched_rt_entity rt；采用Roound-Robin或者FIFO算法调度的实时调度实体
• struct sched_dl_entity dl;  采用EDF算法调度的实时调度实体

分配给CPU的task，作为调度实体加入到运行队列中
runqueue 运行队列 struct rq {
......

//三个调度队列：CFS调度，RT调度，DL调度
struct cfs_rq cfs;
struct rt_rq rt;
struct dl_rq dl;

......
//idle指向空闲内核线程, stop指向迁移内核线程
struct task_struct *curr, *idle, *stop;
......
}
三个调度队列：

• struct cfs_rq cfs;  CFS调度队列
• struct rt_rq rt;  RT调度队列
• struct dl_rq dl;  DL调度队列

每个CPU都有一个运行队列，每个运行队列中有三个调度队列，task作为调度实体加入到各自的调度队列中。

调度流程

调度的本质就是选择下一个进程来运行，调度的过程分为两步：

• 1. 设置调度标记

为CPU上正在运行的进程thread_info结构体里的flags成员设置TIF_NEED_RESCHED。
那么，什么时候设置TIF_NEED_RESCHED呢 ？

1. scheduler_tick 时钟中断
2. wake_up_process 唤醒进程的时候
3. do_fork 创建新进程的时候
4. smp_send_reschedule 负载均衡的时候
5. set_user_nice 修改进程nice值的时候

以上情况下都会通过 resched_curr 来设置进程thread_info结构体里的flags成员为TIF_NEED_RESCHED。以 scheduler_tick 和 wake_up_process 为例：
关于是否需要设置TIF_NEED_RESCHED的依据涉及到具体的调度算法，等我们讲到具体调度器时再详细讲。

• 2. 执行调度

kernel判断当前进程标记是否为TIF_NEED_RESCHED，是的话调用 schedule 函数切换上下文，kernel空间是可以关抢占的，user空间是无法关抢占的。抢占可分为内核态抢占和用户态抢占

1. 用户态抢占

ret_to_user是系统调用，异常触发，中断处理完成后都会调用的函数。

1. 内核态抢占

进程切换上下文 context_switch

通过上面我们知道执行调度的时候发生在 _schedule 函数里。
重点是其中的两个函数，一个是选择需要切换任务的 pick_next_task，另外一个是完成进程上下文切换 context_switch。
关于选择task的策略涉及到不同的调度类，等我们讲到具体调度器的时候再展开，这里重点讲下上下文切换的函数 context_switch，进程上下文切换主要涉及到两部分主要过程：进程地址空间切换和处理器状态切换：

• 进程的地址空间切换

将下一个进程的pgd虚拟地址转化为物理地址存放在ttbr0_el1中(这是用户空间的页表基址寄存器)，当访问用户空间地址的时候mmu会通过这个寄存器来做遍历页表获得物理地址。完成了这一步，也就完成了进程的地址空间切换，确切的说是进程的虚拟地址空间切换。

• 寄存器状态切换

其中x19-x28是arm64 架构规定需要调用保存的寄存器，可以看到处理器状态切换的时候将前一个进程（prev）的x19-x28，fp,sp,pc保存到了进程描述符的cpu_contex中，然后将即将执行的进程(next)描述符的cpu_contex的x19-x28，fp,sp,pc恢复到相应寄存器中，而且将next进程的进程描述符task_struct地址存放在sp_el0中，用于通过current找到当前进程，这样就完成了处理器的状态切换。