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簡析 Linux 的 CPU 時間( 二 )

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Linux 的調度策略是搶占式的，每個線程都有優先級prirority的概念，并按照優先級高低分為兩種：

  • 實時進程（優先級 0~99）
  • 普通進程（優先級 100~139）
每個 CPU 都有自己的運行隊列 runqueue，需要運行的線程會被加入到這個隊列中 。
簡析 Linux 的 CPU 時間

文章插圖
每個隊列可以進一步細分為 3 個隊列以及 5 種調度策略：
  • dl_rq
    • SCHED_DEADLINE 選擇 deadline 距離當前時間點最近的任務執行
  • rt_rq —— 可以互相搶占的實時任務
    • SCHED_FIFO 一旦搶占到 CPU 資源，就會一直運行直到退出 ， 除非被高優先級搶占
    • SCHED_RR 當 CPU 時間片用完，內核會把它放到隊列末尾，可以被高優先級搶占
  • cfs_rq —— 公平占用 CPU 時間的普通任務
    • SCHED_NORMAL 普通進程
    • SCHED_BATCH 后臺進程
Linux 內核在選擇下一個任務執行時，會按照該順序來進行選擇 ， 也就是先從 dl_rq 里選擇任務，然后從 rt_rq 里選擇任務，最后從 cfs_rq 里選擇任務 。所以實時任務總是會比普通任務先得到執行 。
實時進程的優先級總是高于普通進程，因此當系統中有實時進程運行時 ， 普通進程幾乎是無法分到時間片的 。
nice 值為了保證 cfs_rq 隊列的公平性，Linux 采用完全公平調度算法 CFS Completely Fair Scheduler進行調度，保證每個普通進程都盡可能被調度到 。
CFS 引入了 vruntime 作為衡量是否公平的依據：
  • vruntime 與任務占用的 CPU 時間成正比
  • vruntime 與任務優先級成反比（優先級越高vruntime增長越慢）
如果一個任務的 vruntime 較小，說明它以前占用 CPU 的時間較短，受到了不公平對待 ， 因此該進程會被優先調度，從而到達所謂的公平性 。
為了實現可控的調度，Linux 為普通進程引入了 nice 值的概念 。其的取值其范圍是 -20 ~ +19，調整該值會改變進程的優先級：prirority += nice 。
與此同時 vruntime 計算也會受到影響：
進程的 nice 值越小, 優先級越高, 所能分到的運行時間也越多當用戶進程設置了一個大于 0 的 nice 值時，其用戶態的運行時間將被統計為nice time 而不是 user time 。簡單來說，nice time 表示 CPU 花了多少時間用于運行低優先級的任務 。
當 nice time 占比比較高時，通常是某些定時任務調度器導致的：它們會為后臺任務進程設置一個較大的 nice 值，避免這些進程與其他線程爭搶 CPU 資源 。
軟中斷中斷就是一種插隊機制，可以讓操作系統優先處理一些緊急的任務 。當硬件設備（例如 ， 網卡）需要向 CPU 發出信號時（例如，數據已到達），就會產生硬件中斷 。
CPU 接收到中斷時 ， 會切換到內核態執行特定的中斷服務，并且期間不允許其他中斷搶占（關中斷） 。當中斷服務需要執行較長時間時，可能會導致且其他的中斷得不到及時的響應 。
為了提高中斷處理效率，操作系統在之前的基礎上把中斷處理分成兩部分：
  • 上半部top half：在屏蔽中斷的上下文中運行，用于完成關鍵性的處理動作
  • 下半部bottom half：不在中斷服務上下文中執行 ， 主要處理不那么急迫但耗時的任務
內核在處理完中斷上半部后，可以延期執行下半部 ， 該機制被稱為軟中斷softirq 。軟中斷處理的過程是不會關中斷的，因此當有硬中斷到來的時候，可以及時響應 。
構成軟中斷機制的核心元素包括：
  • 注冊: 軟中斷狀態寄存器 irq_stat
  • 處理: 軟中斷向量表 softirq_vec
  • 觸發: 軟中斷守護線程 daemon

簡析 Linux 的 CPU 時間

文章插圖
  1. 調用open_softirq()將軟中斷服務程序注冊到軟中斷向量表softirq_vec（可?。?
  2. 調用raise_softirq()觸發軟中斷事務