LAB4 多进程调度
我们思考这几个问题：
- 操作系统kernel要如何实现多处理器支持？
- 用户进程能不能由用户进程创建？怎么实现？提到fork()、exec()你想到什么？
- 操作系统kernel要如何支持多进程？你设计的多进程调度可能在哪些地方会有性能弊端？如何去改进？
- 你的kernel支持了多进程，那两个（多个）用户进程之间可不可以进行通信呢？要怎么设计呢？
多处理器支持
- JOS将多CPU分成一个BSP、多个AP。每个CPU对资源有等效访问权。BSP负责初始化系统、引导启动操作系统并激活应用程序处理器APs。开机时和开机后的准备工作由BSP处理，在准备工作中BSP根据MP表逐个激活AP，每个AP在内存上都有一段自己的栈。
- 假如多个CPU同时访问同一个I/O设备怎么办？假如多个CPU同时写同一段内存怎么办？假如多个CPU同时发生了中断要转入内核态怎么办？
- 前两个问号：多个CPU对资源同等访问权，所以我们采用加锁的方式来应对这个情况。
- 第三个问号：内核态下是全能的，也是要慎重的。假若多个CPU同时工作在内核态下，那管理起来很恶心的。最优雅的设计是设置一个内核锁，任意时刻只允许一个CPU处于内核态。
用户进程能不能由用户进程创建？
你设计的OS应该支持这个！
- 我们可以去想，就两种情况：一个是User Environment复制出和自己一样的User Environment，一个是User Environment从外存load一个User Environment到操作系统进程列表里。这就是大家熟知的fork()和exec()。
- fork()的逻辑是这样的：在操作系统进程链表中添加新进程；复制原进程的内存段给fork出的新进程；将新进程加入进程调度队列。如果你去看linux,windows这些成品的设计和运行逻辑的话，你会发现fork()的使用频率很高。而fork操作复制内存段时的时间开销是很拖沓让人不舒服的，那我们就想想怎么优化它？我们发现，很多情况下，A去fork出B后，B并不会急于修改自己的内存段。那可不可以fork时不copy内存空间，直接让新进程的内存空间指针指向原进程的？可以！只要当原进程或新进程希望修改自己内存段时把它们分开就好了。也就是变相延后或者省掉了fork的内存复制操作。这项设计叫“copy-on-write fork”。
多进程支持
从字面意义上看“多进程”，很好理解，把多个User Environment分配到多个CPU上就行了。但是动起手来会发现，这个“调度”的设计很硬核。如果设计不好，在用户视角上看到的是等待拖延宕机，这必然是整个操作系统最要命的点。。。
调度算法focus on 这两点：
- 调度进程上CPU的先后顺序
- 被调度进程每次上CPU后要执行多久
我们所面临的问题是这样的：
- 每时每刻都有新进程加入，老进程退出。
- 用户希望多个User Environment可以同时跑，但主板上的CPU核心数量有限，绝大多数情况下，要运行的User Environment数远大于处理器数。
- 不同进程的时效性不同，对用户的重要性不同。
JOS中只实现了一个简单的轮转调度算法。而目前Linux的多进程调度算法急于完全公平调度算法实现，完全公平调度（CFS）到最后一节看。
多用户进程通信
为什么需要“多进程通信”？
数据传输，资源共享，通知事件，进程同步、互斥。
怎么去实现“多用户通信”？
在内存上开一段空间，让多个进程都可以访问。想一下，如果这段内存区间是在某一个用户进程的地址空间内，那会很难管理吧？所以这段内存要开在内核区上。
至此，我们可以明确：“多用户通信”就是在内核区内存开一段缓冲区，多个用户进程按照一定的规则分别对这段缓冲区有一定的操作权限。
“规则”怎么讲？我们看看Linux都有什么“规则”：
“pipe” 无名管道
只用于具有亲缘关系的进程间通信（父子进程、兄弟进程）。
严格A进程写，B进程读的规则。数据只能单向流动。半双工。
多通过read(),write()进行操作。
其原型为
#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]); //成功返回1，失败返回-1
其中fd[1]是用来写的文件描述符，fd[0]是用来读的文件描述符。
FIFO 命名管道
以特殊设备文件的形式存在于外存中。类似于在进程间使用文件来传输数据。
数据读出时，FIFO管道中同时清除数据。
用read(),write()进行操作。
其原型为：
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); // 成功返回0，失败返回-1
共享内存
需要使用信号量对多个要访问它的进程进行同步。
其原型为：
#include <sys/shm.h>
// 创建或获取一块共享内存：成功返回其ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
socket网络通信
只用于通过网络通信的在两台机器上的两个用户进程。
完全公平调度算法（CFS）
是在linux 2.6.23（2007年10月）中出现的调度算法。由Ingo Molnár所提出。
对于每个CPU核心，归属于它的所有RUNNING的进程用一个队列进行维护，即cfs_rq。
struct cfs_rq {
struct load_weight load; //运行队列总的进程权重
unsigned int nr_running, h_nr_running; //进程的个数
u64 exec_clock; //运行的时钟
u64 min_vruntime; //该cpu运行队列的vruntime推进值, 一般是红黑树中最小的vruntime值
struct rb_root tasks_timeline; //红黑树的根结点
struct rb_node *rb_leftmost; //指向vruntime值最小的结点
//当前运行进程, 下一个将要调度的进程, 马上要抢占的进程,
struct sched_entity *curr, *next, *last, *skip;
struct rq *rq; //系统中有普通进程的运行队列, 实时进程的运行队列, 这些队列都包含在rq运行队列中
...
};
数据结构中的每个进程，都有一个属性：虚拟运行时间（vruntime）。它在进程的sched_entity结构体里。
vruntime = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重
struct sched_entity {
struct load_weight load; //进程的权重
struct rb_node run_node; //运行队列中的红黑树结点
struct list_head group_node; //与组调度有关
unsigned int on_rq; //进程现在是否处于TASK_RUNNING状态
u64 exec_start; //一个调度tick的开始时间
u64 sum_exec_runtime; //进程从出生开始, 已经运行的实际时间
u64 vruntime; //虚拟运行时间
u64 prev_sum_exec_runtime; //本次调度之前, 进程已经运行的实际时间
struct sched_entity *parent; //组调度中的父进程
struct cfs_rq *cfs_rq; //进程此时在哪个运行队列中
};
每个cfs_rq内所有进程的sched_entity使用红黑树维护。vruntime作为键值。
每次时钟中断发生时；更新当前进程的vruntime；在红黑树中找到vruntime最小的进程抢占当前进程，当然如果还是它自己就无抢占一说。时间复杂度O(logN)。
新进程加入时：初始化其vruntime，并将其插入到红黑树中。时间复杂度O(logN)。
旧进程销毁时：从红黑树中删除该节点。时间复杂度O(logN)。
新进程的vruntime初始值怎么安排？
每个CPU的运行队列cfs_rq都维护一个min_vruntime变量。新进程的初始vruntime值以它所在运行队列的min_vruntime为基础来设置，这样就能与老进程保持在合理的差距范围内。
休眠进程vruntime值一直不变吗？
休眠进程被唤醒时重设vruntime，以min_vruntime为基础给予一定补偿。这样能把进程间的vruntime保持在合理的差距范围内。
进程从CPU A切换到CPU B上，vruntime怎么变化？
新的vruntime = 旧的vruntime - min_vruntime_A + min_vruntime_B
