HITOS_LAB5 进程运行轨迹的跟踪与统计

5. 进程运行轨迹的跟踪与统计

5.1. 实验目的

掌握 Linux 下的多进程编程技术；
通过对进程运行轨迹的跟踪来形象化进程的概念；
在进程运行轨迹跟踪的基础上进行相应的数据统计，从而能对进程调度算法进行实际的量化评价，更进一步加深对调度和调度算法的理解，获得能在实际操作系统上对调度算法进行实验数据对比的直接经验。

5.2. 实验内容

编写样本程序

process.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <sys/times.h>

#define HZ	100

void cpuio_bound(int last, int cpu_time, int io_time);

int main(int argc, char * argv[])
{
	pid_t fd_1, fd_2;
	int fd;
	
	printf("The Parent Pid = [%d].\n", getpid());

	fd_1 = fork();
	if(fd_1 == 0)
	{
		printf("[%d] Is Running Now.\n", getpid());
		cpuio_bound(10, 1, 0);
		exit(0);
	}
	fd_2 = fork();
	if(fd_2 == 0)
	{
		printf("[%d] Is Running Now.\n", getpid());
		cpuio_bound(10, 1, 0);
		exit(0);
	}
	fd = wait(NULL);
	printf("[%d] Have Exited.\n",fd);

	fd = wait(NULL);
	printf("[%d] Have Exited.\n",fd);

	return 0;
}

void cpuio_bound(int last, int cpu_time, int io_time)
{
	struct tms start_time, current_time;
	clock_t utime, stime;
	int sleep_time;

	while (last > 0)
	{
		times(&start_time);
		do
		{
			times(&current_time);
			utime = current_time.tms_utime - start_time.tms_utime;
			stime = current_time.tms_stime - start_time.tms_stime;
		} while ( ( (utime + stime) / HZ )  < cpu_time );
		last -= cpu_time;

		if (last <= 0 )
			break;
		sleep_time=0;
		while (sleep_time < io_time)
		{
			sleep(1);
			sleep_time++;
		}
		last -= sleep_time;
	}
}

跟踪进程运行轨迹

首先修改init文件夹下的main.c中的main()函数，应当在内核启动时就打开log文件。

在这里插入图片描述

打开log文件的参数指定为只写模式，如果文件已经存在，则清空其现有内容。文件权限设置为所有人可读可写。
在kernel/printk.c中添加fprintk函数。

#include <stdarg.h>
#include <stddef.h>
#include <linux/kernel.h>
#include "linux/sched.h"
#include "sys/stat.h"

static char logbuf[1024];
static char buf[1024];
extern int vsprintf(char * buf, const char * fmt, va_list args);

int printk(const char *fmt, ...)
{
	va_list args;
	int i;

	va_start(args, fmt);
	i=vsprintf(buf,fmt,args);
	va_end(args);
	__asm__("push %%fs\n\t"
		"push %%ds\n\t"
		"pop %%fs\n\t"
		"pushl %0\n\t"
		"pushl $buf\n\t"
		"pushl $0\n\t"
		"call tty_write\n\t"
		"addl $8,%%esp\n\t"
		"popl %0\n\t"
		"pop %%fs"
		::"r" (i):"ax","cx","dx");
	return i;
}

int fprintk(int fd, const char *fmt, ...)
{
    va_list args;
    int count;
    struct file * file;
    struct m_inode * inode;
va_start(args, fmt);
    count=vsprintf(logbuf, fmt, args);
    va_end(args);
    if (fd < 3)
    {
        __asm__("push %%fs\n\t"
            "push %%ds\n\t"
            "pop %%fs\n\t"
            "pushl %0\n\t"
            "pushl $logbuf\n\t"
            "pushl %1\n\t"
            "call sys_write\n\t"
            "addl $8,%%esp\n\t"
            "popl %0\n\t"
            "pop %%fs"
            ::"r" (count),"r" (fd):"ax","cx","dx");
    }
    else
    {
        if (!(file=task[0]->filp[fd]))
            return 0;
        inode=file->f_inode;
__asm__("push %%fs\n\t"
            "push %%ds\n\t"
            "pop %%fs\n\t"
            "pushl %0\n\t"
            "pushl $logbuf\n\t"
            "pushl %1\n\t"
            "pushl %2\n\t"
            "call file_write\n\t"
            "addl $12,%%esp\n\t"
            "popl %0\n\t"
            "pop %%fs"
            ::"r" (count),"r" (file),"r" (inode):"ax","cx","dx");
    }
    return count;
}

jiffies

jiffies在kernel/sched.c文件中定义为一个全局变量：

long volatile jiffies=0;

其记录了从系统开机到当前时间的时钟中断发生次数，也被称为“滴答数”。

在kernel/sched.c文件中的sched_init()函数中，时钟中断处理函数被设置为：

set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt);

这表明jiffies表示了从系统开机时到目前为止的时钟中断次数，即“滴答数”。

此外，在sched_init()函数中，以下代码用于设置每次时钟中断的间隔，即LATCH：

outb_p(0x36, 0x43);
outb_p(LATCH&0xff, 0x40);
outb_p(LATCH>>8, 0x40);

三条语句的目的是配置8253定时芯片的工作模式，并设置时钟中断的触发频率。其中，LATCH是在kernel/sched.c文件中定义的一个宏：

kernel/sched.c

#define LATCH  (1193180/HZ)

include/linux/sched.h

#define HZ 100

寻找状态切换点

需要在所有发生进程状态切换的代码点添加适当的代码，以记录进程状态变化的情况并输出到log文件中。

总体而言，Linux 0.11支持四种主要的进程状态转移：从就绪到运行、从运行到就绪、从运行到睡眠以及从睡眠到就绪。此外，还存在新建和退出两种情况。其中，就绪到运行的状态转移通过schedule()函数实现（该函数同时涵盖调度算法）；运行到睡眠的转移则依赖于sleep_on()和interruptible_sleep_on()，以及进程主动休眠的系统调用如sys_pause()和sys_waitpid()；而从睡眠到就绪的转移则依赖于wake_up()。通过在这些函数的适当位置插入处理语句，可以实现对进程运行轨迹的全面跟踪。

在kernel/fork.c文件中的copy_process()函数中，修改如下，以在新建态N时输出新建进程信息到文件：

	p->start_time = jiffies;
	fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", p->pid, 'N', jiffies);

kernel/sched.c：

schedule()函数：

if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&
	(*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)
	{
		(*p)->state=TASK_RUNNING;
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (*p)->pid, 'J', jiffies);	
	}

由于中断信号影响，由可中断的阻塞态W变为就绪态J

	if(task[next]->pid != current->pid)
	{
		if(current->state==TASK_RUNNING)
			fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'J', jiffies);

		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", task[next]->pid, 'R', jiffies);
	}
	switch_to(next);

sys_pause()函数：

int sys_pause(void)
{
	if(current->state!=TASK_INTERRUPTIBLE )
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
	current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
	schedule();
	return 0;
}

sleep_on()函数：

void sleep_on(struct task_struct **p)
{
	struct task_struct *tmp;

	if (!p)
		return;
	if (current == &(init_task.task))
		panic("task[0] trying to sleep");
	tmp = *p;
	*p = current;
	current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
	fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);		

	schedule();
	if (tmp)
		tmp->state=0;
	fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", tmp->pid, 'J', jiffies);		
}

interruptible_sleep_on()函数：

void interruptible_sleep_on(struct task_struct **p)
{
	struct task_struct *tmp;

	if (!p)
		return;
	if (current == &(init_task.task))
		panic("task[0] trying to sleep");
	tmp=*p;
	*p=current;
repeat:	current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
	schedule();
	if (*p && *p != current) {
		(**p).state=0;
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (**p).pid, 'J', jiffies);
		goto repeat;
	}
	*p=NULL;
	if (tmp)
		tmp->state=0;
	fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", tmp->pid, 'J', jiffies);
}

wake_up()函数：

void wake_up(struct task_struct **p)
{
	if (p && *p) {
		(**p).state=0;
		fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (**p).pid, 'J', jiffies);	
		*p=NULL;
	}
}

修改kernel/exit.c：

do_exit()函数：

fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'E', jiffies);

sys_waitpid()函数：

fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
schedule();

在Linux-0.11下

make all
sudo ./mount-hdc
sudo umount hdc
./run

在这里插入图片描述
日志文件process.log中

在这里插入图片描述

统计进程时间

chmod +x stat_log.py
./stat_log.py process.log 12 13 14 15 -g | more

在这里插入图片描述

修改`linux-0.11`进程调度的时间片

Linux 0.11所采用的调度算法是一种综合考虑进程优先级并具有动态反馈机制，能够调整时间片的轮转调度算法。该算法为每个进程分配一个称为时间片的时间段，即该进程被允许运行的时间。如果在时间片结束时进程仍在运行，CPU将会被剥夺，并分配给另一个进程；而如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU会立即进行切换。调度程序的主要任务是维护一个就绪进程列表，当进程用完它的时间片后，它将被移到队列的末尾。那么综合考虑进程优先级又是什么呢？这意味着一个进程在阻塞队列中停留的时间越长，其优先级就越高，因此下次将被分配更大的时间片。

进程之间的切换是需要时间的。如果时间片设定得太小，将导致频繁的进程切换，从而浪费大量时间在进程切换上，影响系统效率；相反，如果时间片设定得足够大，虽然不会浪费时间在进程切换上，但会降低系统的利用率，且可能对用户交互性产生不良影响。因此，时间片的大小需要在保持CPU利用率和用户交互性之间取得平衡。

为了调整每个进程的时间片，可以通过修改INIT_TASK宏中的counter来实现。在这里，counter代表进程的时间片。通过增加它，可以延长进程被分配CPU的时间。下图中，平均等待时间以及平均完成时间随着时间片的切片数增多而减少。

在这里插入图片描述

5.3. 实验报告

结合自己的体会，谈谈从程序设计者的角度看，单进程编程和多进程编程最大的区别是什么？

在单进程编程中，程序是按照顺序执行的，一个任务完成后才会执行下一个任务。这种方式不涉及到多个任务之间的切换和数据保存，但是在等待I/O时，CPU可能处于空闲状态，导致CPU利用率相对较低。

相比之下，多进程编程允许多个进程交替执行。当一个进程等待I/O时，系统可以切换到另一个就绪的进程执行，从而提高了CPU的利用率。然而，多进程编程涉及到进程切换时的数据保存和复杂的调度机制，这可能导致一些额外的开销和复杂性。

执行方式

单进程编程：顺序执行，程序从上到下逐行执行。一个任务的执行完成后，才会执行下一个任务。
多进程编程：并发执行，多个进程可以同时运行。进程之间可以交替执行，提高系统的响应速度和资源利用率。

数据是否同步

单进程编程：数据是同步的，因为在单进程中修改数据会直接影响整个进程的状态。
多进程编程：数据是异步的，因为每个进程有自己的内存空间，进程之间的数据修改不会直接影响其他进程的数据。

CPU利用率

单进程编程： CPU利用率相对较低。当进程在等待I/O操作时，CPU处于空闲状态。
多进程编程： CPU利用率相对较高。当一个进程在等待I/O时，其他进程可以继续执行，充分利用了CPU资源。

适用场景

单进程编程：适用于简单的、线性的任务，不涉及多任务协同工作的场景。
多进程编程：适用于需要同时处理多个任务、有并发需求的场景，例如服务器程序、并行计算等。

2.你是如何修改时间片的？仅针对样本程序建立的进程，在修改时间片前后， log 文件的统计结果（不包括Graphic）都是什么样？结合你的修改分析一下为什么会这样变化，或者为什么没变化？

通过在sched.h文件中的INIT_TASK宏进行时间片的修改。观察到在样本程序建立的进程中，随着时间片的较大幅度修改，并没有引起log文件统计结果的显著变化。

系统处理能力不变： 关键在于系统处理的进程数量并没有发生改变。即使时间片较大，系统在单位时间内仍能处理相同数量的进程。这导致了吞吐量在一定范围内没有明显的变化。
平均等待时间和平均完成时间的变化： 在一定范围内，随着时间片的增大，平均等待时间和平均完成时间呈下降趋势。这是因为在较小的时间片情况下，CPU花费更多时间在调度切换上，导致平均等待时间增加。随着时间片的增大，这种等待时间减小。然而，当时间片足够大时，进程调度可能变得类似于先来先服务（FCFS），平均等待时间和平均完成时间趋于稳定。
调度策略影响： 随着时间片的修改，RR轮转调度逐渐转变为FCFS先来先服务。这导致了吞吐量的相对稳定性，因为在单位时间内完成的进程数量受到系统处理能力的限制。