linux内核调度问题分析

Posted 2023-03-09 为了维护世界和平_

目录

一、调度场景分析

不支持内核抢占的内核

支持内核抢占

二、如何让新进程执行

三、调度的本质

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一、调度场景分析

假如内核只有3个线程，线程0创建线程1和线程2.当系统时钟到来时，时钟中断处理函数会检查是否有进程需要调度。当有进程需要调度时，调度器会选择线程1或者线程2。

执行流程：start_kernel运行在线程0里，线程0创建线程1和线程2。函数调用关系start_kernel()->kernel_debug()->do_fork 创建新线程，并把新线程添加到调度器的就绪队列中。线程0创建线程1和线程2后，进入while线程，线程0不会退出，等待被调度出去。

1、产生时钟中断。处理器采用定时器来周期性地执行。调度器利用时钟中断来定时检测当前运行的线程是否需要调度。当需要调度时，设置need_resched标志位

2、当时钟中断返回，根据linux内核是否支持内核抢占来确定是否需要调度：

不支持内核抢占的内核

不会检查是否调度。即使线程0的need_resched标志位置位了，linux内核也不会调度线程1或者线程2。只有发生在用户态的中断返回或者系统调用返回用户空间时，才会检查是否需要调度。

1）发生时钟中断。触发时钟中断时 当前进程有可能在用户态执行，也可能在内核态执行。

如果进程运行在用户态发生了中断，那么会进入异常向量表的el0_irq汇编函数；

如果进程运行在内核态时发生了中断，会进入异常向量表的el1_irq汇编函数中。

进入中断时，CPU会自动关闭中断。

2）在el1_irq汇编函数里，首先会保存中断现场到当前进程的栈中，使用pt_regs数据结构来实现pt_regs栈，保存中断现场。

中断处理程序过程包括切换到linux内核中断栈、硬件中断号的查询、中断服务程序处理等

3）当确定中断源时时钟中断后，scheduler_tick()函数会检查当前进程是否需要调度。如果需要调度，设置当前进程need_resched标志位（TIF_NEED_RESCHED）,

4）中断返回。这里需要给中断控制器返回一个中断结束信号

5）在el1_irq汇编函数恢复中断现场。2）的对应操作

在不支持内核抢占的系统里，汇编函数不会检查是否需要调度。在返回时，CPU打开中断，然后从中断的地方继续执行线程0

支持内核抢占

1）中断返回会检查当前进程是否设置了need_resched表示位，如果置位，调用preempt_schedule_irq函数以调度其他进程并运行。

2）在el1_irq汇编函数即将返回中断现场时，判断当前进程是否需要调度。如果需要调度，调度器会选择下一个进程，并且进行进程的切换。

3）如果选择现场1，则从线程1的pt_regs中恢复中断现场并打开中断，然后继续执行内核线程1的代码。

二、如何让新进程执行

如果线程1是新创建的，它的栈应该是空的，第一次运行时如何恢复中断现场呢？如果不能从线程1的栈中恢复中断现场，那是不是线程1一直在关闭中断的状态下运行？

对于内核线程来说，在创建时会对如下两部分内容进行设置与保存。copy_thread()函数

1. 进程的硬件上下文。保存在进程的cpu_context数据结构。
2. pt_regs

int copy_thread_tls(unsigned long clone_flags, unsigned long stack_start,
		unsigned long stk_sz, struct task_struct *p, unsigned long tls)



	 else 
		memset(childregs, 0, sizeof(struct pt_regs));
		childregs->pstate = PSR_MODE_EL1h;//5 处理器状态 第0位 栈指针选择符，1：选择栈之战寄存器SP_EL1 2:3 异常级别，值1表示异常级别1
		if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_UAO) &&
		    cpus_have_const_cap(ARM64_HAS_UAO))
			childregs->pstate |= PSR_UAO_BIT;

		if (arm64_get_ssbd_state() == ARM64_SSBD_FORCE_DISABLE)
			set_ssbs_bit(childregs);

		if (system_uses_irq_prio_masking())
			childregs->pmr_save = GIC_PRIO_IRQON;

		p->thread.cpu_context.x19 = stack_start;//函数地址，用来创建内核线程的函数kernel_thread的第一参数
		p->thread.cpu_context.x20 = stk_sz;//参数 ,用来创建内核线程的函数kernel_thread的第二参数
	
	p->thread.cpu_context.pc = (unsigned long)ret_from_fork;//子进程的程序计数器，调度入口
	p->thread.cpu_context.sp = (unsigned long)childregs;//sp指向内核栈底部pt_regs起始位置

stack_start指向内核线程的回调函数

x20 指向回调函数的参数

PC寄存器 ret_from_fork  执行入口

三、调度的本质

系统中有一个用户进程A和一个内核线程B，在不考虑自愿调度和系统调用情况下，请描述这两个进程是如何相互切换并运行的。

• 进程A在用户空间运行；
• 发生中断
• CPU打断正在运行的用户进程A，处于异常模式。CPU会跳转到异常向量表的el0_irq里。在汇编函数el0_irq中，首先把中断现场保存到进程A的pt_regs栈
• 处理中断
• 调度滴答处理函数，返回el0_irq汇编函数里。即将返回现场前，ret_to_user汇编函数会检查当前进程是否需要调度。
• 若当前进程需要调度，调用schedule()函数选择下一个进程并切换 ；（switch_to函数）
• 切换函数返回，CPU开始运行内核线程B；进程需要为前一个进程做收尾工作，比如调用raw_spin_unlock_irq来释放锁并打开本地中断。见finish_task_switch函数。
• CPU沿着内核线程B保存的栈帧回溯，一直返回。返回路径finish_task_switch->el1_preempt->el1_irq
• 在el1_irq汇编函数里把上一次发生中断时保存在栈里的中断现场进行恢复，最后从上一次中断的地方开始执行内核线程B的代码。

以上涉及两个上下文切换，中断上下文（pt_regs），进程上下文（task_struct）