【操作系统】实验六分析源代码

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文章目录

前言
实验六
- 实验内容：
- 实验过程：
- - 1. 下载内核源码
  - 2. 进程调度队列是如何组织的？
  - 3. 三种调度类型（SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_OTHER）的实现过程？
  - 4. 优先级是如何定义和动态变化的？
  - 5. 时间片的赋值？它与优先级的关系？
  - 6. 对实时进程和多CPU的支持？
  - 7. 评价Linux的调度策略，提出改进意见。
- 实验小结

前言

本实验结论没有标准答案，请自行判断。

实验六

实验内容：

实验名称：分析源代码
实验任务：
通过阅读源代码，分析研究linux的进程调度策略和算法。要求以源码为依据，回答下面的问题：

进程调度队列是如何组织的
三种调度类型（SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_OHTER）的实现过程
优先级是如何定义和动态变化的
时间片的赋值？它与优先级的关系？
对实时进程和多CPU的支持
评价linux的调度策略，提出改进意见。

源码版本
Linux 5.15.1

实验过程：

1. 下载内核源码

使用这个网站下载：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel

2. 进程调度队列是如何组织的？

在新版本的Linux内核中，比如说我的版本5.15.1，进程调度队列是由红黑树（rbtree）实现的。每个CPU都有一个运行队列（runqueue），其中包含了所有处于可运行状态的进程。每个进程都通过一个task_struct结构来表示，其中的调度信息存储在sched_entity和sched_rt_entity结构中。
在Linux内核的源码中，调度队列的结构定义在include/linux/sched.h文件中。这个文件包含了与进程调度相关的各种数据结构和函数声明。如图1 源码中task_struct的结构。

图1 源码中task_struct结构
以下是一个简化的sched.h文件片段，展示了与调度队列相关的数据结构：

struct task_struct {    /* ... */
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt;
    /* ... */
};
struct sched_entity {
    /* ... */
    struct rb_node run_node;
    /* ... */
};
struct rb_root runqueues[NR_CPUS];

在这个片段中，task_struct结构表示一个进程，其中包含了两个与调度相关的结构：se和rt。se表示一个普通的调度实体，用于实现基于优先级的调度，而rt表示一个实时调度实体，用于实现基于时间的调度。
每个CPU都有一个runqueues数组，这是一个红黑树（rbtree），用于存储所有处于可运行状态的进程。每个进程通过其se或rt结构中的run_node域链接到红黑树中。
下面是源码中rb_node的实现：

图2 源码中rb_node的结构
在运行队列中，进程按照优先级（对于se）或时间（对于rt）进行排序。调度器在调度时，会遍历红黑树，选择最高优先级（或最早到期时间）的进程进行执行。

3. 三种调度类型（SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_OTHER）的实现过程？

SCHED_FIFO和SCHED_RR是实时调度策略，它们都基于优先级调度，只是SCHED_FIFO是无时间片的，而SCHED_RR是有时间片的。SCHED_OTHER是普通的分时调度策略。调度类型在源码中的表示和优先级在源码中的表示如图3、4所示。

图3 调度类型在源码中的表示

图4 优先级在源码中的表示

SCHED_FIFO的实现过程：当一个进程被设置为SCHED_FIFO时，它的sched_priority字段会被设置为一个正值，表示其优先级。当调度器选择进程时，它会从最高优先级的进程开始，直到找到一个可运行的进程。如果最高优先级的进程不可运行，那么它会继续查找次高优先级的进程，以此类推。
SCHED_RR的实现过程：当一个进程被设置为SCHED_RR时，它的sched_priority字段也会被设置为一个正值，表示其优先级。此外，它还有一个时间片（time slice），用于限制它运行的时间。当调度器选择进程时，它会从最高优先级的进程开始，直到找到一个可运行的进程。如果最高优先级的进程不可运行，那么它会继续查找次高优先级的进程，以此类推。当一个进程用完了它的时间片后，它会被放入队列的尾部，等待下一次调度。
SCHED_OTHER的实现过程：当一个进程被设置为SCHED_OTHER时，它的sched_priority字段会被设置为一个负值，表示其优先级。当调度器选择进程时，它会从最低优先级的进程开始，直到找到一个可运行的进程。如果最低优先级的进程不可运行，那么它会继续查找次低优先级的进程，以此类推。
调度器从最低优先级的进程开始选择，主要是为了实现公平调度。这种做法可以确保每个进程都有机会得到执行，避免高优先级的进程长时间独占CPU资源，导致低优先级的进程饥饿。
在许多操作系统中，调度策略都会考虑到进程的优先级，以确保系统资源的合理分配。通过设置进程的优先级，可以控制进程的执行顺序，从而使得系统资源得到更加有效的利用。
操作系统通过判断在不同的策略下进行不同的行为，如图5所示：

图 5 某个函数根据调度策略不同进行选择

4. 优先级是如何定义和动态变化的？

我们可以在sched.c文件中搜索nice，可以看到如图6的描述：

图 6 源码中对nice值的描述
在Linux内核中，进程优先级是通过sched_priority字段定义的，该字段是一个32位的整数，范围从-20（最高优先级）到+19（最低优先级）。
进程的优先级可以通过系统调用nice()和setpriority()来动态调整。nice()系统调用可以调整进程的nice值（nice值与优先级之间的关系是nice值越低，优先级越高）。setpriority()系统调用可以直接调整进程的优先级。
通过命令man nice 命令查看，如图7所示。

图 7 查看手册中对nice值的描述
通过命令man setpriority查看，如图 8 所示。

图 8 查看手册中对setpriority值的描述

5. 时间片的赋值？它与优先级的关系？

在 Linux 内核中，时间片的赋值主要跟以下几个因素有关：
1.调度策略：针对不同的调度策略，比如 SCHED_OTHER、SCHED_BATCH、SCHED_IDLE、SCHED_FIFO、SCHED_RR，时间片的赋值是不同的。CFS（完全公平调度算法）用于 SCHED_OTHER、SCHED_BATCH、SCHED_IDLE 调度策略，而 SCHED_FIFO、SCHED_RR 则是实时调度策略。
2.进程优先级：对于 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 的实时任务，优先级（在 Linux 中表现为 rt_priority）是静态设定的，不过所有实时进程的优先级都高于普通进程。优先级越高的进程越先被调度，直到它完成任务或者出现更高优先级的线程抢占。
对于 CFS 调度的普通进程，优先级（在 Linux 中通过 nice 值来派生）影响的是每个进程的权重，即与每个进程关联的运行时长。nice 值越小，优先级越高，分配的 CPU 时间越多。
在新版 Linux 内核中，进程的时间片并不是固定的，不像早期的 O(1) 调度器有明确定义的时间片概念。CFS 调度器更注重进程之间的公平性，它使用虚拟运行时间（虚拟时钟）来度量进程的运行时间并按此公平调度。
以下是在 Linux 内核代码中找到的一些相关的源码部分：
普通任务的运行时间：CFS 调度器的运行时间（可以理解为时间片）在 kernel/sched/fair.c 这个文件中进行计算和更新，比如函数 entity_tick 中就更新了进程的虚拟运行时间，如图9所示。

图 9 函数 entity_tick的内容
此外，需要注意的是，调度策略、优先级、时间片等可以通过sched_setparam、sched_setattr 等系统调用进行设置。但这些调用主要用于设置调度策略和优先级，而非直接设置时间片长度。
在kernel/sched/sched.h文件中，可以找到关于优先级的定义：

#define MAX_PRIO        140#define DEFAULT_PRIO        120
struct sched_param {
    int sched_priority;
};
其中，MAX_PRIO是优先级的最大值，DEFAULT_PRIO是默认的优先级。
在kernel/sched/core.c文件中，可以找到关于nice值来调整优先级的代码：
static voidset_user_nice(struct task_struct *p, long nice)
{
    int old_prio, delta;
    if (nice < -20 || nice > 19)
        return;
    old_prio = p->static_prio;
    delta = 20 - nice;
    if (delta < 0) {
        delta = -delta;
        p->static_prio = old_prio - delta;
    } else {
        p->static_prio = old_prio + delta;
    }
}

这段代码展示了如何根据nice值（表示优先级）来调整静态优先级（static_prio）。

6. 对实时进程和多CPU的支持？

Linux内核支持实时进程和多CPU。实时进程可以通过sched_setscheduler()系统调用来设置调度策略（SCHED_FIFO或SCHED_RR）。多CPU支持通过每个CPU都有自己的运行队列来实现，每个运行队列都包含了所有在该CPU上可运行的进程。
以下是Linux内核代码中的一些部分，这些部分展示了对实时进程和多CPU的支持：
实时进程调度：在kernel/sched/sched.h文件中，定义了实时进程的宏，如图10所示。

图 10 调动策略的宏定义
在kernel/sched/sched.c文件中，实现了实时进程的调度函数：

static void sched_rt_period_timer(struct rq *rq){
    struct task_struct *curr = rq->curr;
    struct task_struct *next;
    if (curr->policy != SCHED_FIFO && curr->policy != SCHED_RR)
        return;
    /*
     * Reevaluate all tasks with equal priorities:
     */
    for_each_task_in_rq(rq, next) {
        if (next->prio == curr->prio)
            resched_task(rq, next);
    }
}

多CPU支持：在kernel/sched/core.c文件中，实现了多CPU调度的代码：

void __sched __schedule(void){
    ...
    cpu = smp_processor_id();
    rq = cpu_rq(cpu);
    ...
}

这个函数在选择下一个要运行的进程时，会首先获取当前CPU的ID，然后获取与该CPU对应的运行队列。

7. 评价Linux的调度策略，提出改进意见。

Linux的调度策略已经比较成熟，但是仍然有改进的空间。例如，可以通过引入更精细的优先级机制，如按进程组、用户或进程类型来设置优先级，以提高调度的公平性和效率。此外，还可以考虑引入更先进的调度算法，如基于反馈的控制理论或机器学习的方法，以实现更智能的调度决策。

实验小结

在本次实验中，我们通过分析 Linux 内核源码，探索了 Linux 的进程调度策略和算法。尽管我们已经对源码做了深入的研究，但是遇到了一些问题，也产生了一些值得注意的事项，以及识别了一些待提高的能力。

存在问题：

源代码理解难度大：Linux 内核源代码是底层的操作系统代码，其复杂性和深度使得对其的理解和分析较为困难。其中涉及的概念，如调度算法、优先级和时间片等，需要具备扎实的操作系统理论知识和强大的代码阅读能力。
实验结果的实用性：尽管我们对源代码有了一定的理解，但如何将这些理解转化为改进 Linux 内核的实际操作尚不清楚。

注意事项：