Linux 进程管理（六）总结

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原图

一个例子

下面给出一个综合案例，在一个双核处理器的系统中，在 Shell 界面下运行 test 程序。CPUO 的就绪队列中有 4 个进程，而 CPU1 的就绪缓队列中有 1 个进程。test 程序和这 5 个进程的 nice 值都为 0。

#include <stdio.h>
int main()
{
    unsigned long i = O
    while(1){
        i++;
    };
    return O;
}

站在用户空间的角度看问题，我们只能看到 test 程序被运行了，但是我们看不到新进程是如何创建的、它会添加到哪个 CPU 里、它是如何运行的，以及 CPU0 和 CPU1 之间如何做负载均衡等。

其中的操作步骤如下：

调用系统调用 fork() 来创建一个新进程
使用 do_fork() 创建新进程：
- 创建新进程的 task_struct 数据结构
- 复制父进程的 task_struct 数据结构到新进程
- 复制父进程相关的页表项到新进程
- 设置新进程的内核栈
父进程调用 wake_up_new_task() 尝试去唤醒新进程：
- 调用调度类的 select_taskirq()，为新进程寻找一个负载最轻的 CPU，这里选择 CPU1
- 调用调度类的 enqueue_task() 把新进程添加到 CPU1 的就绪队列里
CPU1 重新选择一个合适的进程来运行：
- 每次时钟节拍到来时，scheduler_tick() 会调用调度类的 task_tick() 检查是否需要重新调度。check_preempt_tick() 会做检查，当需要重新调度时会设置当前进程的 thread_info 中的 TIF_NEED_RESCHED 标志位。假设这时 CPU1 准备调度新进程，就会设置当前进程的 thread_info 中的 TIF_NEED_RESCHED 标志位
- 在中断返回前会检查当前进程是否需要调度。如果需要调度，调用 preempt_schedule_irq() 来切换进程运行
- 调度器的 schedule() 函数会调用调度类的 pick_next_task() 来选择下一个最合适运行的进程。在该场景中，选择新进程
- switch_mm() 切换父进程和新进程的页表
- 在 CPU1 上，switch_to() 切换新进程来运行
运行新进程：
- 新进程第一次运行时会调用 ret_from_fork() 函数
- 返回用户空间运行 Shell 程序
- Shell 程序调用 exec() 来运行 test 程序，最终新进程变成了 test 进程
实现负载均衡：
- 在每个时钟节拍到来时，检查是否需要触发软中断来实现 SMP 负载均衡，即调用 scheduler_tick()-> trigger_load_balance()。下一次实现负载均衡的时间点存放在就绪队列的 next_balance 成员里。
- 触发 SCHED_SOFTIRQ 软中断
- 在软中断处理函数 run_rebalance_domains() 里，从当前 CPU 开始遍历 CPU 拓扑关系，从调度域的低层往高层遍历调度域，并寻找有负载不均匀的调度组。本例子中的 CPU 拓扑关系很简单，只有一层 MC 层级的调度域
- CPU0 对应的调度域是 domain_mc_0，对应的调度组是 group_mc_0；CPU1 对应的调度域是 domain_mc_1，对应的调度组是 group_mc_1。CPU0 的调度域 domain_mc_0 管辖 CPU0 和 CPU1，其中 group_mc_0 和 group_mc_1 这两个调度组会被链接到 domain_mc_0 的一个链表中。同理，CPU1 的调度域 domain_mc_1 管理着 group_mc_1 和 group_mc_0 这两个调度组
- 假设当前运行的 CPU 是 CPU1，也就是说，运行 run_rebalance_domains() 函数的 CPU 为 CPU1，那么在当前 MC 的调度域（domain_mc_1）里找哪个调度组是最繁忙的。很容易发现 CPU0 的调度组（group_mc_0）是最繁忙的，然后计算需要迁移多少负载到 CPU1 上才能保持两个调度组负载平衡
- 从 CPU0 迁移部分进程到 CPU1

调度的流程

假设 Linux 内核只有 3 个线程，线程 0 创建了线程 1 和线程 2，它们永远不会退出。当系统时钟中断到来时，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，调度器会选择运行线程 1 或者线程 2。

假设线程 0 先运行，那么在这个场景下会发生什么情况？这是一个有意思的问题，涉及调度器的实现机制、中断处理、内核抢占、新建进程如何被调度、进程切换等知识点。我们只有把这些知识点都弄明白了，才能真正搞明白这个问题。

场景分析

这个场景中的主要操作步骤如下：

start_kernel() 运行在线程 0 里。线程 0 创建了线程 1 和线程 2。函数调用关系是 start_kernel()->kerne_thread()->_do_fork()。在_do_fortk() 函数会创建新线程，并且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 死循环，线程 0 不会退出，它正在等待被调度出去
产生时钟中断。时钟中断是普通外设中断的一种，调度器利用时钟中断来定时检测当前正在运行的线程是否需要调度
当时钟中断检测到当前线程需要调度时，设置 need_resched 标志位
当时钟中断返回时，根据 Linux 内核是否支持内核抢占来确定是否需要调度，下面分两种情况来讨论
- 支持内核抢占的内核：发生在内核态的中断返回时，检查当前线程的 need_resched 标志位是否置位，如果置位，说明当前线程需要调度
- 不支持内核抢占的内核：发生在内核态的中断在返回时不会检查是否需要调度

在不支持内核抢占功能的 Linux 内核里，即使线程 0 的 need_resched 标志位置位置位了，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。在不支持抢占的 Linux 内核中，判断与调度的流程如下图所示。

发生时钟中断。触发时钟中断时当前进程（线程）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时发生了中断，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，那么会进入异常向量表的 el1_irq 汇编函数中。在本场景中，因为 3 个线程都是内核线程，所以时钟中断只能跳转到 el1_irq 汇编函数里。当进入中断时 CPU 会自动关闭中断
在 el1_irq 汇编函数里，首先会保存中断现场（也称为中断上下文）到当前进程的栈中，Linux 内核使用 pt_regs 数据结构来实现 pt_regs 栈框，用来保存中断现场
中断处理过程包括切换到 Linux 内核的中断栈、硬件中断号的查询、中断服务程序的处理等
当确定当前中断源是时钟中断后，scheduler_tick() 函数会去检查当前进程的是否需要调度。如果需要调度，则设置当前进程的 need_resched 标志位（thread_info 中的 TIF_NEED_RESCHED 标志位）
中断返回。这里需要给中断控制器返回一个中断结束（End Of Interrupt，EOI）信号
在 el1_irq 汇编函数直接恢复中断现场，这里会使用线程 0 的 pt_regs 来恢复中断现场在不支持内核抢占的系统里，el1_irq 汇编函数不会检查是否需要调度。在中断返回时，CPU 打开中断，然后从中断的地方开始继续执行进程 0

在支持内核抢占功能的 Linux 内核中，中断返回时会检查当前进程是否设置了 need_resched 标志位置位。如果置位，那么调用 preempt schedule_irq() 函数以调度其他进程（线程）并运行。如下图所示，在支持内核抢占的 Linux 内核中，中断与调度的流程和下图略有不一样。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。如果选择了线程 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。

如何让新进程执行

可能读者会有如下疑问：

如果线程 1 是新创建的，它的栈应该是空的，那它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。

进程的硬件上下文。它是保存在进程中的 cpu_context 数据结构，进程硬件上下文包括 X19~X28 寄存器、FP 寄存器、SP 寄存器以及 PC 寄存器。对于 ARM64 处理器来说，设置 PC 寄存器为 ret_from_fork，即指向 ret_from_fork 汇编函数。设置 SP 寄存器指向栈的 pt_regs 栈框
ptregs 栈框

上述操作是在 copy_thread() 函数里实现的。

<arch/arm64/kernel/process.c>
int copy_thread()
{
    ...
    childregs->pstate = PSR_MODE_EL1h;
    p->thread.cpu_context.x19 = stack_start;
    p->thread.cpu_context.x20 = stk sz;
    p->thread.cpu context.pc = (unsigned long)ret_from_fork;
    p->thread.cpu_context.sp = (unsigned long)childregs;
    ...

stack_stat 指向内核线程的回调函数，而 x20 指向回调函数的参数。在进程切换时，switch_to() 函数会完成进程硬件上下文的切换，即把下一个进程 (next 进程）的 cpu_context 数据结构保存的内容恢复到处理器的寄存器中，从而完成进程的切换。此时，处理器开始运行 next 进程了。根据 PC 寄存器的值、外理器会从 ret_from_fork 汇编函数里开始执行，新进程的执行过程如下图所示。

ret_from_fork 汇编函数实现在 arch/arm64/kernel/entry.S 文件中。

SYM_CODE_START(ret_from_fork)
	bl	schedule_tail
	cbz	x19, 1f				// not a kernel thread
	mov	x0, x20
	blr	x19
1:	get_current_task tsk
	mov	x0, sp
	bl	asm_exit_to_user_mode
	b	ret_to_user
SYM_CODE_END(ret_from_fork)
NOKPROBE(ret_from_fork)

在第 2 行中，调用 schedule_tail() 函数来对 prev 进程做收尾工作。在 finish_lock_switch() 函数里会调用 raw_spin_unlock_irq() 函数来打开本地中断。因此，next 进程是运行在打开中断的环境下的。在第 3 行中，判断 next 线程是否为内核线程。如果 next 进程是内核线程，在创建时会设置 X19 寄存器指向 stack_start。如果 X19 寄存器的值为 0，说明这个 next 进程是用户进程，直接跳转到第 6 行，调用 ret_to_user 汇编函数，返回用户空间在第 4~5 行中，如果 next 进程是内核线程，那么直接跳转到内核线程的回调函数里。综上所述，当处理器切换到内核线程 1 时，它从 ret_from_fork 汇编函数开始执行 Schedule_tail() 函数会打开中断，因此，不用担心内核线程 1 在关闭中断的状态下运行。另外，此时，线程 1 不会从中断现场返回，因为到目前为止，线程 1 还没有触发任何一个中断。那么对于线程 0 触发的中断现场怎么处理呢？中断现场保存在中断进程的栈里，只有当调度器再、次调度该进程时，它才会从栈中恢复中断现场，然后继续运行该进程。

调度的本质

下面是一个常见的思考题

1
2
3

raw_local_irq_disable()//关闭本地中断
schedule()//调用 schedule() 函数来切换进程
raw_local_irq_enable() //打开本地中断

有读者这么认为，假设进程 A 在关闭本地中断的情况下切换到进程 B 来运行，进程 B 会在关闭中断的情况下运行，如果进程 B 一直占用 CPU，那么系统会一直没有办法响应时钟中断，系统就处于瘫痪状态。显然，上述分析是不正确的。因为进程 B 切换执行时会打开本地中断，以防止系统瘫痪我们接下来详细分析这个问题。调度与中断密不可分，而调度的本质是选择下一个进程来运行。理解调度有如下几个关键点。

什么情况下会触发调度？
如何合理和高效选择下一个进程？
如何切换到下一个进程来执行？
下一个进程如何返回上一次暂停的地方？

我们以一个场景为例，假设系统中只有一个用户进程 A 和一个内核线程 B，在不考虑自愿调度和系统调用的情况下，请描述这两个进程（线程）是如何相互切换并运行的。如图所示，用户进程 A 切换到内核线程 B 的过程如下。

假设在 T0 时刻之前，用户进程 A 正在用户空间运行
在 T0 时刻，时钟中断发生
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中的 el0_irq 里。在 el0_irq 汇编函数里，首先把中断现场保存到进程 A 的 pt_regs 栈框中
处理中断
调度滴答处理函数。在调度滴答处理中，检查当前进程是否需要调度。如果需要调度，则设置当前进程的 need_resched 标志位（thread_info 中的 TIF_NEED_RESCHED 标志位）
中断处理完成之后，返回 el0_irq 汇编函数里。在即将返回中断现场前，ret_to_user 汇编函数会检查当前进程是否需要调度
若当前进程序需要调度，则调用 schedule() 函数来选择下一个进程并进行进程切换
在 switch_to() 函数里进行进程切换
T1 时刻，switch_to() 函数返回时，CPU 开始运行内核线程 B 了
CPU 沿着内核线程 B 保存的栈帧回溯，一直返回。返回路径为 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讲行恢复，最后从上一次中断的地方开始执行内核线程 B 的代码

从栈帧的角度来观察，进程调度的栈帧变化情况如下图所示。

首先，对于用户进程 A，从中断触发到进程切换这段时间内，内核栈的变化情况如图 9.20 左边视图所示，栈的最高地址位于 pt_regs 栈框，用来保存中断现场。然后，依次保存 el0_irq 汇编函数、ret_to_user 汇编函数、_schedule() 函数、context_switch() 函数以及 switch_to() 函数的栈帧，此时 SP 寄存器指向 switch_to() 函数栈帧，这个过程称为压栈。接下来，切换进程。 switch_to() 函数返回之后，即完成了进程切换。此时，CPU 的 SP 寄存器指向了内核线程 B 的内核栈中的 switch_to() 函数栈帧。CPU 沿着栈帧一直返回，并且恢复了上一次保存在 pt_regs 栈框的中断现场，最后跳转到内核线程 B 中断的地方并开始执行，这个过程称为出栈。

参考文献

《奔跑吧 Linux 内核》
《Linux 内核设计与实现》