什么情况下会发生抢占呢?最常见的现象就是一个进程执行时间太长了,是时候切换到另一个进程了。

那怎么衡量一个进程的运行时间呢?在计算机里面有一个时钟,会过一段时间触发一次时钟中断,通知操作系统,时间又过去一个时钟周期,这是个很好的方式,可以查看是否是需要抢占的时间点。

时钟中断处理函数会调用 scheduler_tick()。

void scheduler_tick(void)
{
  int cpu = smp_processor_id();
  // 1. 取出当前 CPU 的运行队列
  struct rq *rq = cpu_rq(cpu);
  // 2. 得到这个队列上当前正在运行中的进程的 task_struct
  struct task_struct *curr = rq->curr;
  ......
  // 3. 调用这个 task_struct 的调度类的 task_tick 函数,来处理时钟事件
  curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);
  cpu_load_update_active(rq);
  calc_global_load_tick(rq);
  ......
}

// 如果当前运行的进程是普通进程,调度类为 fair_sched_class,调用的处理时钟的函数为 task_tick_fair
static void task_tick_fair(struct rq *rq, struct task_struct *curr, int queued)
{
  // 根据当前进程的 task_struct,找到对应的调度实体 sched_entity 和 cfs_rq 队列,调用 entity_tick
  struct cfs_rq *cfs_rq;
  struct sched_entity *se = &curr->se;

  for_each_sched_entity(se) {
    cfs_rq = cfs_rq_of(se);
    entity_tick(cfs_rq, se, queued);
  }
  ......
}


static void
entity_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr, int queued)
{
  // 更新当前进程的 vruntime
  update_curr(cfs_rq);
  update_load_avg(curr, UPDATE_TG);
  update_cfs_shares(curr);
  .....
  if (cfs_rq->nr_running > 1)
    // 检查是否是时候被抢占了
    check_preempt_tick(cfs_rq, curr);
}


static void
check_preempt_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
  unsigned long ideal_runtime, delta_exec;
  struct sched_entity *se;
  s64 delta;

  // ideal_runtime 是一个调度周期中,该进程运行的理想时间
  ideal_runtime = sched_slice(cfs_rq, curr);
  // sum_exec_runtime 指进程总共执行的实际时间;
  // prev_sum_exec_runtime 指上次该进程被调度时已经占用的实际时间。
  delta_exec = curr->sum_exec_runtime - curr->prev_sum_exec_runtime;
  // delta_exec 这次调度占用实际时间,如果大于 ideal_runtime,则应该被抢占了
  if (delta_exec > ideal_runtime) {
    resched_curr(rq_of(cfs_rq));
    return;
  }
  ......
  // 取出红黑树中最小的进程
  se = __pick_first_entity(cfs_rq);
 // 如果当前进程的 vruntime 大于红黑树中最小的进程的 vruntime,且差值大于 ideal_runtime,也应该被抢占了
  delta = curr->vruntime - se->vruntime;
  if (delta < 0)
    return;
  if (delta > ideal_runtime)
    resched_curr(rq_of(cfs_rq));
}

当发现当前进程应该被抢占,不能直接把它踢下来,而是把它标记为应该被抢占。

为什么呢?一定要等待正在运行的进程调用 __schedule 才行啊,所以这里只能先标记一下。

标记一个进程应该被抢占,都是调用 resched_curr,它会调用 set_tsk_need_resched,标记进程应该被抢占,但是此时此刻,并不真的抢占,而是打上一个标签 TIF_NEED_RESCHED

static inline void set_tsk_need_resched(struct task_struct *tsk)
{
  set_tsk_thread_flag(tsk,TIF_NEED_RESCHED);
}

另外一个可能抢占的场景是当一个进程被唤醒的时候。

当一个进程在等待一个 I/O 的时候,会主动放弃 CPU。但是当 I/O 到来的时候,进程往往会被唤醒。

这个时候是一个时机。当被唤醒的进程优先级高于 CPU 上的当前进程,就会触发抢占。

try_to_wake_up() 调用 ttwu_queue 将这个唤醒的任务添加到队列当中。

ttwu_queue 再调用 ttwu_do_activate 激活这个任务。

ttwu_do_activate 调用 ttwu_do_wakeup。

这里面调用了 check_preempt_curr 检查是否应该发生抢占。

如果应该发生抢占,也不是直接踢走当前进程,而是将当前进程标记为应该被抢占。

static void ttwu_do_wakeup(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags,
         struct rq_flags *rf)
{
  check_preempt_curr(rq, p, wake_flags);
  p->state = TASK_RUNNING;
  trace_sched_wakeup(p);
  ......
}

到这里,抢占问题只做完了一半。就是标识当前运行中的进程应该被抢占了,但是真正的抢占动作并没有发生。

抢占的时机

真正的抢占需要时机,也就是需要那么一个时刻,让正在运行中的进程有机会调用一下 __schedule。

这个时机分为用户态和内核态。

对于用户态的进程来讲,从系统调用中返回的那个时刻,是一个被抢占的时机。

64 位的系统调用的链路为:

do_syscall_64->syscall_return_slowpath->prepare_exit_to_usermode->exit_to_usermode_loop

static void exit_to_usermode_loop(struct pt_regs *regs, u32 cached_flags)
{
  while (true) {
    /* We have work to do. */
    local_irq_enable();

    if (cached_flags & _TIF_NEED_RESCHED)
      schedule();
    ......
  }
}

对于用户态的进程来讲,从中断中返回的那个时刻,也是一个被抢占的时机。

在 arch/x86/entry/entry_64.S 中有中断的处理过程。

common_interrupt:
        ASM_CLAC
        addq    $-0x80, (%rsp) 
        interrupt do_IRQ
ret_from_intr:
        popq    %rsp
        testb   $3, CS(%rsp)
        jz      retint_kernel
/* Interrupt came from user space */
GLOBAL(retint_user)
        mov     %rsp,%rdi
        call    prepare_exit_to_usermode
        TRACE_IRQS_IRETQ
        SWAPGS
        jmp     restore_regs_and_iret
/* Returning to kernel space */
retint_kernel:
#ifdef CONFIG_PREEMPT
        bt      $9, EFLAGS(%rsp)  
        jnc     1f
0:      cmpl    $0, PER_CPU_VAR(__preempt_count)
        jnz     1f
        call    preempt_schedule_irq
        jmp     0b

中断处理调用的是 do_IRQ 函数,中断完毕后分为两种情况,一个是返回用户态,一个是返回内核态

先来看返回用户态这一部分,retint_user 会调用 prepare_exit_to_usermode,最终调用 exit_to_usermode_loop,和上面的逻辑一样,发现有标记则调用 schedule()。

对内核态的执行中,被抢占的时机一般发生在 preempt_enable() 中。

内核态的执行中,有的操作是不能被中断的,所以在进行这些操作之前,总是先调用 preempt_disable() 关闭抢占,当再次打开的时候,就是一次内核态代码被抢占的机会。

preempt_enable() 会调用 preempt_count_dec_and_test(),判断 preempt_count 和 TIF_NEED_RESCHED 是否可以被抢占。

如果可以,就调用 preempt_schedule->preempt_schedule_common->__schedule 进行调度。

#define preempt_enable() \
do { \
  if (unlikely(preempt_count_dec_and_test())) \
    __preempt_schedule(); \
} while (0)


#define preempt_count_dec_and_test() \
  ({ preempt_count_sub(1); should_resched(0); })


static __always_inline bool should_resched(int preempt_offset)
{
  return unlikely(preempt_count() == preempt_offset &&
      tif_need_resched());
}


#define tif_need_resched() test_thread_flag(TIF_NEED_RESCHED)


static void __sched notrace preempt_schedule_common(void)
{
  do {
    ......
    __schedule(true);
    ......
  } while (need_resched())

在内核态也会遇到中断的情况,当中断返回的时候,返回的仍然是内核态。

这个时候也是一个执行抢占的时机,在上面中断返回的代码中返回内核的那部分代码,调用的是 preempt_schedule_irq。

asmlinkage __visible void __sched preempt_schedule_irq(void)
{
  ......
  do {
    preempt_disable();
    local_irq_enable();
    __schedule(true);
    local_irq_disable();
    sched_preempt_enable_no_resched();
  } while (need_resched());
  ......
}

 

posted on 2021-06-27 12:22  jingmojing  阅读(1370)  评论(0编辑  收藏  举报