01.4进程原理和系统调用---＞经典的CFS调度器

进程的一些正常状态

什么是进程

操作系统作为硬件的使用层，提供使用硬件资源的能力，进程作为操作系统使用层，
提供使用操作系统抽象出的资源层的能力。
进程：是指计算机中已运行的程序。进程本身不是基本的运行单位，而是线程的容器。
程序本身只是指令、数据及其组织形式的描述，进程才是程序（那些指令和数据）的真正运行
实例。
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进程间的关系

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linux提供一些api进行上面状态的查询查看当前这个进程的状态
●TASK_ RUNNING (可运行状态或者可就绪状态) ;
●TASK INTERRUPTIBLE (可中断睡眠状态，又叫浅睡眠状态) ;
●TASK UNINTERRUPTIBLE (不可中断状态，又叫深度睡眠状态) ;我们可以通过ps命令查看被标记为D状态
●TASK_ STOPPED (终止状态) ;
●EXIT_ ZOMBIE (僵尸状态) ;

进程结构体

Linux内核涉及进程和程序的所有算法都围绕一个名为task_struct的数据结构建立，该结构定义在include/linux/sched.h中。这是系统中主要的一个结构。在阐述调度器的实现之前，了解一下Linux管理进程的方式是很有必要的。
task_struct包含很多成员，将进程与各个内核子系统联系，task_struct定义如下

struct task_struct {
	volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ 进程状态标志
	void *stack; 指向内核栈
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;
	pid_t pid;  //全局进程号
	pid_t tgid; //全局线程号
	struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; //进程组标识符和会话标识符,进程号
	struct task_struct __rcu *real_parent; /* real parent process */ 真父进程号
	struct task_struct __rcu *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */ 父进程号
	struct task_struct *group_leader;	/* threadgroup leader */  指向线程组的组长
	const struct cred __rcu *real_cred; /* objective and real subjective task  指向证书
					 * credentials (COW) */
	const struct cred __rcu *cred;	/* effective (overridable) subjective task*/
	char comm[TASK_COMM_LEN]; //进程名称
	int prio, static_prio, normal_prio; //调度策略的优先级
	prio //动态优先级
	static_prio//每个进程刚开始就分配了静态优先级,使用nice和set_shell来修改
	normal_prio//动态优先级
	unsigned int rt_priority;//实时进程优先级,不会带入之前说的值
	const struct sched_class *sched_class;//表示该进程所属的调度器的类    


		cpumask_t cpus_allowed;//是否运行在cpu上运行
	int nr_cpus_allowed;//允许这个进程在哪个cpu上运行
	struct mm_struct *mm, *active_mm;//这两个指针指向内存描述符
	//在进程中,mm和active_mm指向同一个内存描述符
	//内核线程中mm就是空指针,当内核线程运行的时候active_mm指向进程借用一个内存描述符
	struct fs_struct *fs; //指向文件系统,主要为进程根目录和当前进程工作目录
	struct files_struct *files; //打来的文件列表
	//下面用于做信号处理
	struct signal_struct *signal;
	struct sighand_struct *sighand;

	sigset_t blocked, real_blocked;
	sigset_t saved_sigmask;	/* restored if set_restore_sigmask() was used */
	struct sigpending pending;
/* ipc stuff *///下面两个用于unix信号量和共享内存
	struct sysv_sem sysvsem;
	struct sysv_shm sysvshm;
	....}

进程优先级

1、进程优先级
总体排序 : 限期进程的优先级比实时进程要高，实时进程的优先级比普通进程要高。
➢限期进程的优先级是-1;
➢实时进程的优先级1-99,优先级数值越大，表示优先级越高;
➢普通进程的静态优先级为: 100-139, 优先级数值越小，表示优先级越高，可通过修改
nice值改变普通进程的优先级，优先级等于120加上nice值。
2、并非所有进程都具有相同的重要性。
除了大多数我们所熟悉的进程优先级之外，进程还有不同的关键度类别，以满足不同需求。首先进行比较粗糙的划分，进程可以分为实时进程和非实时进程（普通进程）。
实时进程优先级（0-99）都比普通进程的优先级（100-139）高。当系统中有实时进程运行时，普通进程几乎无法分到赶时间片（只能分到5%的CPU时间）
下面的优先级也对应了四个属性, 不同的进程使用哪个属性比较当前的优先级
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如何创建进程

1用户进程

传统的UNIX中用于复制进程的系统调用是fork。但它并不是Linux为此实现的唯一调用，实际上Linux实现了3个。
(1) fork是重量级调用，因为它建立了父进程的一个完整副本，然后作为子进程执行。为减少与该调用相关的工作量，Linux使用了写时复制（copy-on-write）技术。
(2) vfork类似于fork，但并不创建父进程数据的副本。相反，父子进程之间共享数据。这节省了大量CPU时间（如果一个进程操纵共享数据，则另一个会自动注意到）。
(3) clone产生线程，可以对父子进程之间的共享、复制进行精确控制。
进程系统调用
【写时复制】
内核使用了写时复制（Copy-On-Write，COW）技术，以防止在fork执行时将父进程的所有数据
复制到子进程。在调用fork时，内核通常对父进程的每个内存页，都为子进程创建一个相同的副本。
【执行系统调用】
fork、vfork和clone系统调用的入口点分别是sys_fork、sys_vfork和sys_clone函数。其定义依赖于
具体的体系结构，因为在用户空间和内核空间之间传递参数的方法因体系结构而异。
【do_fork实现】
所有3个fork机制最终都调用kernel/fork.c中的do_fork（一个体系结构无关的函数）

2内核线程

内核线程是直接由内核本身启动的进程。内核线程实际上是将内核函数委托给独立的进程，与系统中其他进程“并行”执行（实际上，也并行于内核自身的执行）。内核线程经常称之为（内核）守护进程。它们用于执行下列任务
周期性地将修改的内存页与页来源块设备同步（例如，使用mmap的文件映射）。
• 如果内存页很少使用，则写入交换区。
• 管理延时动作（deferred action）。
• 实现文件系统的事务日志

3图片示例

上面的用户进程使用 fork() vfork() do_fork()
和内核线程中的kthread_creat() 从源码里分析都是用到了do_fork()这个函数
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CFS调度器

调度器是啥

调度器 Linux内核中用来安排调度进程(-一段程序的执行过程)执行的模块称为调度器(Scheduler)，它可以切换进程状态(Process status)。比如:执行、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出、暂停等。
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调度器是CPU中央处理器的管理员，主要负责完成做两件事情：
一、选择某些就绪进程来执行，
二是打断某些执行的进程让它们变为就绪状态。调度器分配CPU时间的基本依据就是进程的优先级。
上下文切换（context switch）：将进程在CPU中切换执行的过程，内核承担此任务，负责重建和存储被切换掉之前的CPU状态。

调度器类定义

sched_class结构体表示调度类，定义在kernel/sched/sched.h
Linux调度类：dl_sched_class、rt_sched_class、fair_sched_class及idle_sched_class等。每个进程都有一个自己的调度策略
每个调度策略对应一种调度类
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这5种调度类的优先级从高到低依次为:停机调度类、限期调度类、实时调度类、公平调度类、空闲调度
类。
●停机调度类:优先级是最高的调度类，停机进程是优先级最高的进程，可以抢占所有其它进程，其他进
程不可能抢占停机进程。
●限期调度类:最早使用优先算法，使用红黑树把进程按照绝对截止期限从小到大排序，每次调度时选择
绝对截止期限最小的进程。
●实时调度类:为每个调度优先级维护-一个队列。
●公平调度类:CFS用于一般线程使用完全公平调度算法。完全公平调度算法引入虚拟运行时间的相关概念:虚拟运行时间=
实际运行时间*nice0对应的权重/进程的权重。
●空闲调度类:每个CPU上有一个空闲线程，即0号线程。空闲调度类优先级别最低，仅当没有其他进程可
以调度的时候，才会调度空闲线程。每个CPU的第一个PID=0线程,swapper,是一个静态线程。调度类属
于idel sched class。一般运行在开机过程和CPU异常的时候会做dump.
Linux调度核心选择下一个合适的task运行时，会按照优先级顺序遍历调度类的pick_ next. _task函数。

进程优先级

task_ struct结构体中采用3三个成员表示进程的优先级: prio和normal_ prio表示动态优先
级, static_ prio表示进程的静态优先级。
内核将任务优先级划分，实时优先级范围是0到MAX_ RT_ PRIO-1 (即99) ，而普通进程
的静态优先级范围是从MAX_ RT_ PRIO到MAX_ PRIO-1 (即100到139) 。
这种粗糙的划分，进程可以分为实时进程和非实时进程（普通进程）
实时进程(Real-Time Process) :优先级高、需要立即被执行的进程。
普通进程(Normal Process) :优先级低、更长执行时间的进程。
进程的优先级是一I -个0–139的整数直接来表示。数字越小，优先级越高，其中优先级0-99留给实时进程，
100-139留给普通进程。
实时进程优先级（0-99）都比普通进程的优先级（100-139）高。当系统中有实时进程
运行时，普通进程几乎无法分到赶时间片（只能分到5%的CPU时间）。
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内核调度策略

有了上面的进程优先级和各种调度器类,这时候linux内核会提供一些调度策略给应用程序来选择调度器
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SCHED_ NORMAL: 普通进程调度策略，使task选择CFS调度器来调度运行:
SCHED_ FIFO: 实时进程调度策略，先进先出调度没有时间片，没有更高优先级的状态下，只有等待主动
让出CPU;
SCHED_ RR:实时进程调度策略，时间片轮转,进程使用完时间片之后加入优先级对应运行队列当中的尾
部，把CPU让给同等优先级的其它进程;
SCHED_ BATCH:普通进程调度策略，批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行;
SCHED_ JIDLE: 普通进程调度策略，使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行:
SCHED_ DEADLINE: 限期进程调度策略，使task选择Deadline调度器来调度运行;
备注:其中stop调度器和DLE-task调度器，,仅使用于内核，用户没有办法进行选择。
在一个进程的结构体中,下面这个属性来表示这个进程所属的调度器类
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完全公平调度器CFS

完全公平调度算法体现在对待每个进程都是公平的，让每个进程都运行一段相同的时间片，这就是基于时间片轮询调度算法。
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CFS定义一种新调度模型，它给cfs_rq（cfs的run queue）中的每一个进程都设置一个虚拟时钟-virtual runtime(vruntime)。如果一个进程得以执行，随着执行时间的不断增长，其vruntime也将不断增大，没有得到执行的进程vruntime将保持不变
用进程结构体中下面的属性来表示调度的关系上面图片中的具体成员: prio 、 normal prio、static prio、rt priority等。

实际运行时间

CFS是Completely Fair Scheduler简称，完全公平调度器。在实际当中必须会有进程优先级高或者进程优先级低，CFS调度器引入权重，使用权重代表进程的优先级，各个进程按照权重比例分配CPU时间。
假设有2个进程X和Y，X权重为1024，Y权重为2048。
X获得CPU时间比例为: 1024/(1024+2048)=33%左右
Y获得CPU时间比例为: 2048/(1024+2048)-66%左右
在引入权重之后分配给进程的时间计算公式如下:
实际运行时间=调度曲“进程权重/所有进程权重之和。

虚拟运行时间

虚拟运行时间=实际运行时间NICE_ 0_ LOAD/进程权重= (调度周期进程权重/所有进程权重之后)
NICE_ 0_ LOAD/进程权重=调度周期1024/所有进程总权重.
在一个调度周期里面，所有进程的虚拟运行时间是相同的，所以在进程调度时，只需要找到虚拟运行时间
最小的进程调度运行即可

主调度器和周期性调度器

进程调度器任务:合理分配CPU赶时间给运行的进程。调度器目标:有效地分配CPU时间片。
主调度器:通过调用schedule()函数来完成进程的选择和切换。
周期性调度器:根据频率自动调用scheduler tick函数，作用根据进程运行时间触发调度。
上下文切换:主要做两个事情(切换地址空间、切换寄存器和栈空间)。

左边的cpu和调度器有上下文切换根据
下面有个选择进程选择进程根据不同的调度类来选择进程再放到调度器里面进行处理
调度类来判断接下来运行哪个进程
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