我们知道,进程运行需要各种各样的系统资源,如内存、文件、打印机和最
宝贵的 CPU 等,所以说,调度的实质就是资源的分配。系统通过不同的调度算法(Scheduling Algorithm)来实现这种资源的分配。通常来说,选择什么样的调度算法取决于资源分配的策略(Scheduling Policy)。
有关调度相关的结构保存在 task_struct 中,如下:
active_mm 是为内核线程而引入的,因为内核线程没有自己的地址空间,为了让内核线程与普通进程具有统一的上下文切换方式,当内核线程进行上下文切换时,让切换进来的线程的 active_mm 指向刚被调度出去的进程的 active_mm(如果进程的mm 域不为空,则其 active_mm 域与 mm 域相同)。
在 linux 2.6 中 sched_class 表示该进程所属的调度器类有3种:
进程的调度策略有5种,用户可以调用调度器里不同的调度策略:
在每个 CPU 中都有一个自身的运行队列 rq,每个活动进程只出现在一个运行队列中,在多个 CPU 上同时运行一个进程是不可能的。
运行队列是使用如下结构实现的:
tast 作为调度实体加入到 CPU 中的调度队列中。
系统中所有的运行队列都在 runqueues 数组中,该数组的每个元素分别对应于系统中的一个 CPU。在单处理器系统中,由于只需要一个就绪队列,因此数组只有一个元素。
内核也定义了一下便利的宏,其含义很明显。
Linux、c/c++服务器开发篇-------我们来聊聊进程的那些事
Linux内核 进程间通信组件的实现
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在分析调度流程之前,我们先来看在什么情况下要执行调度程序,我们把这种情况叫做调度时机。
Linux 调度时机主要有。
时机1,进程要调用 sleep() 或 exit() 等函数进行状态转换,这些函数会主动调用调度程序进行进程调度。
时机2,由于进程的时间片是由时钟中断来更新的,因此,这种情况和时机4 是一样的。
时机3,当设备驱动程序执行长而重复的任务时,直接调用调度程序。在每次反复循环中,驱动程序都检查 need_resched 的值,如果必要,则调用调度程序 schedule() 主动放弃 CPU。
时机4 , 如前所述, 不管是从中断、异常还是系统调用返回, 最终都调用 ret_from_sys_call(),由这个函数进行调度标志的检测,如果必要,则调用调用调度程序。那么,为什么从系统调用返回时要调用调度程序呢?这当然是从效率考虑。从系统调用返回意味着要离开内核态而返回到用户态,而状态的转换要花费一定的时间,因此,在返回到用户态前,系统把在内核态该处理的事全部做完。
Linux 的调度程序是一个叫 Schedule() 的函数,这个函数来决定是否要进行进程的切换,如果要切换的话,切换到哪个进程等。
从代码分析来看,Schedule 主要完成了2个功能:
进程上下文切换包括进程的地址空间的切换和执行环境的切换。
对于 switch_mm 处理,关键的一步就是它将新进程页面目录的起始物理地址装入到寄存器 CR3 中。CR3 寄存器总是指向当前进程的页面目录。
switch_to 把寄存器中的值比如esp等存放到进程thread结构中,保存现场一边后续恢复,同时调用 __switch_to 完成了堆栈的切换。
在进程的 task_struct 结构中有个重要的成分 thread,它本身是一个数据结构 thread_struct, 里面记录着进程在切换时的(系统空间)堆栈指针,取指令地址(也就是“返回地址”)等关键性的信息。
关于__switch_to 的工作就是处理 TSS (任务状态段)。
TSS 全称task state segment,是指在 *** 作系统进程管理的过程中,任务(进程)切换时的任务现场信息。
linux 为每一个 CPU 提供一个 TSS 段,并且在 TR 寄存器中保存该段。
linux 中之所以为每一个 CPU 提供一个 TSS 段,而不是为每个进程提供一个TSS 段,主要原因是 TR 寄存器永远指向它,在任务切换的适合不必切换 TR 寄存器,从而减小开销。
在从用户态切换到内核态时,可以通过获取 TSS 段中的 esp0 来获取当前进程的内核栈 栈顶指针,从而可以保存用户态的 cs,esp,eip 等上下文。
TSS 在任务切换过程中起着重要作用,通过它实现任务的挂起和恢复。所谓任务切换是指,挂起当前正在执行的任务,恢复或启动另一任务的执行。
在任务切换过程中,首先,处理器中各寄存器的当前值被自动保存到 TR(任务寄存器)所指定的任务的 TSS 中;然后,下一任务的 TSS 被装入 TR;最后,从 TR 所指定的 TSS 中取出各寄存器的值送到处理器的各寄存器中。由此可见,通过在 TSS 中保存任务现场各寄存器状态的完整映象,实现任务的切换。
因此,__switch_to 核心内容就是将 TSS 中的内核空间(0级)堆栈指针换成 next->esp0。这是因为 CPU 在穿越中断门或者陷阱门时要根据新的运行级别从TSS中取得进程在系统空间的堆栈指针。
thread_struct.esp0 指向进程的系统空间堆栈的顶端。当一个进程被调度运行时,内核会将这个变量写入 TSS 的 esp0 字段,表示这个进程进入0级运行时其堆栈的位置。换句话说,进程的 thread_struct 结构中的 esp0 保存着其系统空间堆栈指针。当进程穿过中断门、陷阱门或者调用门进入系统空间时,处理器会从这里恢复期系统空间栈。
由于栈中变量的访问依赖的是段、页、和 esp、ebp 等这些寄存器,所以当段、页、寄存器切换完以后,栈中的变量就可以被访问了。
因此 switch_to 完成了进程堆栈的切换,由于被切进的进程各个寄存器的信息已完成切换,因此 next 进程得以执行指令运行。
由于 A 进程在调用 switch_to 完成了与 B 进程堆栈的切换,也即是寄存器中的值都是 B 的,所以 A 进程在 switch_to 执行完后,A停止运行,B开始运行,当过一段时间又把 A 进程切进去后,A 开始从switch_to 后面的代码开始执行。
schedule 的调用流程如下:
随着计算机领域多核技术的发展,如何充分有效的利用多核的并行处理能力,是每个服务器端应用程序都必须考虑的问题。由于数据库服务器的服务进程或线程间存在着大量数据共享和同步,而多线程可以充分利用多CPU来并行执行多个强相关任务,例如执行引擎可以充分的利用线程的并发执行以提供性能。在多线程的架构下,数据共享的效率更高,能提高服务器访问的效率和性能,同时维护开销和复杂度更低,这对于提高数据库系统的并行处理能力非常重要。
多线程的三大主要优势:
优势一:线程启动开销远小于进程启动开销。与进程相比,它是一种非常“节俭”的多任务 *** 作方式。在Linux系统下,启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间,建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段,这是一种“昂贵”的多任务工作方式。而运行于一个进程中的多个线程,它们彼此之间使用相同的地址空间,共享大部分数据,启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间。
优势二:线程间方便的通信机制:对不同进程来说,它们具有独立的数据空间,要进行数据的传递只能通过通信的方式进行,这种方式不仅费时,而且很不方便。线程则不然,由于同一进程下的线程之间共享数据空间,所以一个线程的数据可以直接为其他线程所用,这不仅快捷,而且方便。
优势三:线程切换开销小于进程切换开销,对于Linux系统来讲,进程切换分两步:1.切换页目录以使用新的地址空间;2.切换内核栈和硬件上下文。对线程切换,第1步是不需要做的,第2步是进程和线程都要做的,所以明显线程切换开销小。
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