趣谈Linux操作系统
刘超
网易杭州研究院云计算技术部首席架构师
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入门准备篇 (3讲)
开篇词 | 为什么要学习Linux操作系统?
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01 | 入学测验:你究竟对Linux操作系统了解多少?
02 | 学习路径:爬过这六个陡坡,你就能对Linux了如指掌
核心原理篇:第一部分 Linux操作系统综述 (3讲)
03 | 你可以把Linux内核当成一家软件外包公司的老板
04 | 快速上手几个Linux命令:每家公司都有自己的黑话
05 | 学会几个系统调用:咱们公司能接哪些类型的项目?
核心原理篇:第二部分 系统初始化 (4讲)
06 | x86架构:有了开放的架构,才能打造开放的营商环境
07 | 从BIOS到bootloader:创业伊始,有活儿老板自己上
08 | 内核初始化:生意做大了就得成立公司
09 | 系统调用:公司成立好了就要开始接项目
核心原理篇:第三部分 进程管理 (10讲)
10 | 进程:公司接这么多项目,如何管?
11 | 线程:如何让复杂的项目并行执行?
12 | 进程数据结构(上):项目多了就需要项目管理系统
13 | 进程数据结构(中):项目多了就需要项目管理系统
14 | 进程数据结构(下):项目多了就需要项目管理系统
15 | 调度(上):如何制定项目管理流程?
16 | 调度(中):主动调度是如何发生的?
17 | 调度(下):抢占式调度是如何发生的?
18 | 进程的创建:如何发起一个新项目?
19 | 线程的创建:如何执行一个新子项目?
核心原理篇:第四部分 内存管理 (7讲)
20 | 内存管理(上):为客户保密,规划进程内存空间布局
21 | 内存管理(下):为客户保密,项目组独享会议室封闭开发
22 | 进程空间管理:项目组还可以自行布置会议室
23 | 物理内存管理(上):会议室管理员如何分配会议室?
24 | 物理内存管理(下):会议室管理员如何分配会议室?
25 | 用户态内存映射:如何找到正确的会议室?
26 | 内核态内存映射:如何找到正确的会议室?
核心原理篇:第五部分 文件系统 (4讲)
27 | 文件系统:项目成果要归档,我们就需要档案库
28 | 硬盘文件系统:如何最合理地组织档案库的文档?
29 | 虚拟文件系统:文件多了就需要档案管理系统
30 | 文件缓存:常用文档应该放在触手可得的地方
核心原理篇:第六部分 输入输出系统 (5讲)
31 | 输入与输出:如何建立售前售后生态体系?
32 | 字符设备(上):如何建立直销模式?
33 | 字符设备(下):如何建立直销模式?
34 | 块设备(上):如何建立代理商销售模式?
35 | 块设备(下):如何建立代理商销售模式?
核心原理篇:第七部分 进程间通信 (7讲)
36 | 进程间通信:遇到大项目需要项目组之间的合作才行
37 | 信号(上):项目组A完成了,如何及时通知项目组B?
38 | 信号(下):项目组A完成了,如何及时通知项目组B?
39 | 管道:项目组A完成了,如何交接给项目组B?
40 | IPC(上):不同项目组之间抢资源,如何协调?
41 | IPC(中):不同项目组之间抢资源,如何协调?
42 | IPC(下):不同项目组之间抢资源,如何协调?
核心原理篇:第八部分 网络系统 (7讲)
43 预习 | Socket通信之网络协议基本原理
43 | Socket通信:遇上特大项目,要学会和其他公司合作
44 | Socket内核数据结构:如何成立特大项目合作部?
45 | 发送网络包(上):如何表达我们想让合作伙伴做什么?
46 | 发送网络包(下):如何表达我们想让合作伙伴做什么?
47 | 接收网络包(上):如何搞明白合作伙伴让我们做什么?
48 | 接收网络包(下):如何搞明白合作伙伴让我们做什么?
核心原理篇:第九部分 虚拟化 (7讲)
49 | 虚拟机:如何成立子公司,让公司变集团?
50 | 计算虚拟化之CPU(上):如何复用集团的人力资源?
51 | 计算虚拟化之CPU(下):如何复用集团的人力资源?
52 | 计算虚拟化之内存:如何建立独立的办公室?
53 | 存储虚拟化(上):如何建立自己保管的单独档案库?
54 | 存储虚拟化(下):如何建立自己保管的单独档案库?
55 | 网络虚拟化:如何成立独立的合作部?
核心原理篇:第十部分 容器化 (4讲)
56 | 容器:大公司为保持创新,鼓励内部创业
57 | Namespace技术:内部创业公司应该独立运营
58 | CGroup技术:内部创业公司应该独立核算成本
59 | 数据中心操作系统:上市敲钟
实战串讲篇 (9讲)
60 | 搭建操作系统实验环境(上):授人以鱼不如授人以渔
61 | 搭建操作系统实验环境(下):授人以鱼不如授人以渔
62 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(一)
63 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(二)
64 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(三)
65 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(四)
66 | 知识串讲:用一个创业故事串起操作系统原理(五)
67 | 期末测试:这些操作系统问题,你真的掌握了吗?
结束语 | 永远别轻视任何技术,也永远别轻视自己
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专栏加餐 (2讲)
学习攻略(一):学好操作系统,需要掌握哪些前置知识?
“趣谈Linux操作系统”食用指南
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17 | 调度(下):抢占式调度是如何发生的?

刘超 2019-05-06
上一节,我们讲了主动调度,就是进程运行到一半,因为等待 I/O 等操作而主动让出 CPU,然后就进入了我们的“进程调度第一定律”。所有进程的调用最终都会走 __schedule 函数。那这个定律在这一节还是要继续起作用。

抢占式调度

上一节我们讲的主动调度是第一种方式,第二种方式,就是抢占式调度。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(),它的代码如下:
void scheduler_tick(void)
{
int cpu = smp_processor_id();
struct rq *rq = cpu_rq(cpu);
struct task_struct *curr = rq->curr;
......
curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);
cpu_load_update_active(rq);
calc_global_load_tick(rq);
......
}
这个函数先取出当然 cpu 的运行队列,然后得到这个队列上当前正在运行中的进程的 task_struct,然后调用这个 task_struct 的调度类的 task_tick 函数,顾名思义这个函数就是来处理时钟事件的。
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。我们来看一下它的实现。
static void task_tick_fair(struct rq *rq, struct task_struct *curr, int queued)
{
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);
}
......
}
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精选留言(24)

  • why
    - 抢占式调度
    - 两种情况: 执行太久, 需切换到另一进程; 另一个高优先级进程被唤醒
        - 执行太久: 由时钟中断触发检测, 中断处理调用 scheduler_tick
            - 取当前进程 task_struct->task_tick_fair()->取 sched_entity cfs_rq 调用 entity_tick()
            - entity_tick() 调用 update_curr 更新当前进程 vruntime, 调用 check_preempt_tick 检测是否需要被抢占
            - check_preempt_tick 中计算 ideal_runtime(一个调度周期中应该运行的实际时间), 若进程本次调度运行时间 > ideal_runtime, 则应该被抢占
            - 要被抢占, 则调用 resched_curr, 设置 TIF_NEED_RESCHED, 将其标记为应被抢占进程(因为要等待当前进程运行 `__schedule`)
        - 另一个高优先级进程被唤醒: 当 I/O 完成, 进程被唤醒, 若优先级高于当前进程则触发抢占
            - try_to_wake_up()->ttwu_queue() 将唤醒任务加入队列 调用 ttwu_do_activate 激活任务
            - 调用 tt_do_wakeup()->check_preempt_curr() 检查是否应该抢占, 若需抢占则标记
    - 抢占时机: 让进程调用 `__schedule`, 分为用户态和内核态
        - 用户态进程
            - 时机-1: 从系统调用中返回, 返回过程中会调用 exit_to_usermode_loop, 检查 `_TIF_NEED_RESCHED`, 若打了标记, 则调用 schedule()
            - 时机-2: 从中断中返回, 中断返回分为返回用户态和内核态(汇编代码: arch/x86/entry/entry_64.S), 返回用户态过程中会调用 exit_to_usermode_loop()->shcedule()
        - 内核态进程
            - 时机-1: 发生在 preempt_enable() 中, 内核态进程有的操作不能被中断, 会调用 preempt_disable(), 在开启时(调用 preempt_enable) 时是一个抢占时机, 会调用 preempt_count_dec_and_test(), 检测 preempt_count 和标记, 若可抢占则最终调用 `__schedule`
            - 时机-2: 发生在中断返回, 也会调用 `__schedule`
    2019-05-10
    16
  • garlic
    linux内核依靠硬件定时电路特定时钟频率,tick rate,触发时钟中断,通过中断处理,实现系统时间更新, 定时器设置,延时处理, 学习笔记 https://garlicspace.com/2019/08/04/linux如何管理和度量时间/

    作者回复: 赞,很牛

    2019-08-05
    4
  • 二星球
    老师您好,我喜欢边调试边阅读代码,代码是死的但是跑起来是活的变的,linux内核代码有没有好的调试方式,或者添加打印日志的方式;另外时钟中断是怎么触发的呢,我记得cpu里面没有时钟这个物理设备的,应该有类似单片机晶振这个东西去无限循环执行指令的,这个也不会有时钟中断呀

    作者回复: 有的,看后面实践环节

    2019-05-06
    4
  • zhouzg
    看《计算器是怎样跑起来的》书中有Z80的电路图,里面有介绍时钟发生器,它会把电流信号切割成单位,这样就可以度量和管理时钟了吧?

    作者回复: 牛

    2019-06-20
    3
  • 卫江
    老师,想问一下,中断处理程序到底是由谁调用的,而且一切函数调用肯定需要栈,那中断在哪个栈上面执行,如果在一个单核的计算机上面,有一个进程处于用户态死循环,没有调用系统调用,如果这个时候发生了时间中断,内核是怎么处理的,怎么打断当前的进程,从而可能影响调度?

    作者回复: 后面有专门的节讲中断,到时候回来看,就对上了。中断的处理是在内核里面的,用不到进程的用户栈。当cpu收到中断的时候,就会停止当然指令的运行,去调用内核中的中断处理函数。应用再怎么死循环,内核里面说把他拿下来,不就拿下来了吗。

    2019-07-01
    2
  • 兴文
    如果用户进程一直在用户态执行,没有发生系统调用和中断,就不会触发scheduler操作,那这个进程是不是一直占有CPU啊?

    作者回复: tick会中断他的

    2019-05-30
    2
  • MARK
    Linux内核通过时钟中断管理和度量时间.
    Linux在初始化时会使用一个init_IRQ()函数设定定时周期(IRQ:Interrupt Request),time_init()中调用setup_irq()设置时间中断向量irq 0;中断服务程序是timer_interrupt(),会调用另一个函数do_timer_interrupt(),do_timer_interrupt还会调用do_timer更新系统时间。do_timer中的工作包括,让全局变量jiffies增加1,并且调用update_process_times来更新进程的时间片以及修改进程的动态优先级...
    搜索的一点信息,期待老师的详细讲解^_^
    2019-05-06
    2
  • 焰火
    进程调度第一定律总结的太棒了。

    另外有个问题想问下老师:我把整个调度系统想成一个进程,这个调度进程来实现task调度? 如果是这样的,Linux如果跑在单CPU上,多进程是怎么调度的呢?

    作者回复: 不能把调度系统想象成一个进程,他是管家,不是干活的。不存在他和别人一起竞争的事情,他想把谁从cpu上拿下来,就能拿下来,他只要一改指令指针寄存器,就能拿下来

    2019-05-07
    1
  • Geek_mgk
    进程切换调度是不是意味着多个进程不能在多cpu上并行执行,只能单个进程的多线程并行执行??还是说,线程作为调度的最小单位,使得不同进程的不同线程并行执行达到进程并行的目的?个人理解还不够到位。
    2019-12-11
  • neohope
    操作系统内核,最简化之后,其实就是一个大循环,通过各种中断,尤其是时钟的中断来推动内核的运行,直到收到退出信号为止。

    今天对于“抢占式调度”,有了进一步的理解:“抢占”仍然是内核帮各个进程抢,而不是想获取CPU时间的进程自己抢的,想获取CPU时间的进程,只能采取把自己的进程优先级调高的方式,让自己排队靠前而已。说白了,内核只是用了一种更合理的方式,来更好的安排CPU运行时间,防止饥饿和霸占CPU资源。而这一切都是在内核里完成的,用户进程想获取CPU和让渡CPU都是要靠内核态。
    2019-12-09
  • 陈志恒
    认识到:抢占,也是有原因、有时机限制的!
    2019-11-25
  • 秋天
    看这个文章是不是先看一下 linux 相关的书籍啊,感觉大脑没有一个大概的 linux得运行过程图谱
    2019-11-12
  • JT
    老师你讲得太好了,清楚易懂,我自己看了《Linux内核设计与实现》,然后接着看《深入Linux内核》,前前后后尝试看了几遍,但发现怎么也啃不下。看你的课,然后总结,有了总体思路后,再自己阅读内核代码,收获真的是太大了
    2019-09-29
  • kdb_reboot
    个人观点:cfs 不应该讲一讲如何计算时间片么(进程应该运行的时间)
    2019-09-28
  • kdb_reboot
    又读了好几遍 终于看懂了调度,手里的资料lkd/uld都是讲2.6内核的,也在对着4.4的代码看,老师很厉害,感觉这个系列可以叫ulk 4.4 vertion了……
    简单来说,调度就是解决什么时间调度,选哪个任务调度,怎么调度,换句话就是说CPU什么时候跑哪个任务,后两个问题对应老师导图的第一条,第一个对应老师导图的后两条,先得标记一下resched,然后在合适的时候进行调度

    作者回复: 谢谢夸奖,不敢不敢

    2019-08-04
  • Andylee
    请教一下,写一个死循环,循环里什么都不做,这个进程会被调度出去吗

    作者回复: 会,弄个高优先级的

    2019-07-23
  • CN....
    老师好,如果一个进程开启特别多线程,线程执行内容都是死循环 循环体中执行sleep(3秒),如果内存足够大,会随着线程数增加,导致cpu使用率增加吗

    作者回复: 会呀

    2019-07-10
  • Amark
    老师 发生调度就两种情况吗,主动让出,与被动调度?

    作者回复: 是的

    2019-06-29
  • 杨领well
    老师能否讲解一下中断的实现,虽然这里有提到,但是对于中断的实现过程还是有点懵

    作者回复: 会有单独的一节讲中断

    2019-06-18
  • 如是
    老师中断是怎么处理的,难道不会用到cpu吗?

    作者回复: 会用cpu的

    2019-05-24
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