Linux内核调度器源码分析 - 初始化过程剖析

前言

在上篇系列文《混部之殇-论云原生资源隔离技术之CPU隔离(一)》中，我们介绍了云原生混部场景中CPU资源隔离的核心技术——内核调度器。本文将从源码的角度剖析内核调度的具体实现，帮助读者深入理解调度器框架的建立、系统调用和中断处理的关联、进程管理和调度策略的实现，以及CPU分配和任务调度的具体实现。旨在为读者提供对Linux内核调度器更深入的理解，以便更好地掌握和优化系统性能。

1. 调度器框架

Linux内核调度器是一个复杂而精细的系统，其框架主要由以下几个部分组成：

• 调度器核心代码 ：负责实现调度算法、进程管理和任务调度等核心功能。
• 系统调用接口 ：提供用户空间与内核空间交互的接口，允许用户态程序控制和查询调度器。
• 中断处理程序 ：当发生中断时，中断处理程序会调用调度器，以便重新评估进程的优先级并进行任务切换。
• 进程管理代码 ：负责创建、销毁和管理进程，并维护进程的各种属性，如状态、优先级、资源使用情况等。

2. 系统调用与中断处理

系统调用和中断处理是调度器的重要组成部分，它们共同负责进程的调度和管理。

2.1 系统调用

系统调用允许用户态程序与内核态程序进行交互，从而控制和查询调度器。常用的系统调用包括：

• fork() ：创建一个新的进程。
• execve() ：加载并执行一个新的程序。
• exit() ：终止一个进程。
• wait() ：等待一个子进程终止。
• getpid() ：获取当前进程的PID。
• getppid() ：获取当前进程的父进程的PID。

2.2 中断处理

当发生中断时，中断处理程序会调用调度器，以便重新评估进程的优先级并进行任务切换。常见的中断包括：

• 时钟中断 ：当系统时钟滴答时产生。
• I/O中断 ：当I/O设备完成操作时产生。
• 软中断 ：当内核需要执行某些任务时产生，例如更新进程的统计信息。

3. 进程管理

进程管理是调度器的重要组成部分，负责创建、销毁和管理进程，并维护进程的各种属性，如状态、优先级、资源使用情况等。

3.1 进程状态

进程在生命周期中会经历多种状态，包括：

• 运行 ：进程正在CPU上执行。
• 就绪 ：进程已准备好运行，但由于没有可用的CPU而处于等待状态。
• 等待 ：进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成。
• 停止 ：进程已被暂停，无法运行。
• 僵尸 ：进程已终止，但其父进程尚未调用wait()系统调用来回收其资源。

3.2 进程优先级

进程优先级决定了进程在调度器队列中的位置，优先级较高的进程将获得更多的CPU时间。Linux内核调度器使用两种优先级机制：

• 静态优先级 ：在进程创建时指定，并一直保持不变。
• 动态优先级 ：根据进程的运行时间、资源使用情况等因素动态调整。

4. 调度策略

调度策略决定了调度器如何选择要运行的进程。Linux内核调度器提供了多种调度策略，包括：

• 时间片轮转法 ：将CPU时间划分为时间片，每个进程在每个时间片内运行一段时间，然后将CPU时间片让给其他进程。
• 优先级调度法 ：优先级较高的进程将获得更多的CPU时间。
• 公平分享调度法 ：每个进程获得的CPU时间与进程的权重成正比。

5. CPU分配与任务调度

CPU分配与任务调度是调度器的核心功能，负责将进程分配到CPU上并执行。

5.1 CPU分配

CPU分配算法决定了进程如何分配到CPU上。常用的CPU分配算法包括：

• 轮询法 ：依次将进程分配到CPU上。
• 最短作业优先法 ：优先分配运行时间最短的进程。
• 优先级调度法 ：优先分配优先级较高的进程。

5.2 任务调度

任务调度算法决定了进程在CPU上如何执行。常用的任务调度算法包括：

• 先来先服务法 ：先到达CPU的进程先执行。
• 短作业优先法 ：优先执行运行时间最短的进程。
• 轮转法 ：将CPU时间划分为时间片，每个进程在每个时间片内运行一段时间，然后将CPU时间片让给其他进程。

结语

本文从源代码的角度剖析了Linux内核调度器的初始化过程，帮助读者理解调度器框架的建立、系统调用和中断处理的关联、进程管理和调度策略的实现，以及CPU分配和任务调度的具体实现。旨在为读者提供对Linux内核调度器更深入的理解，以便更好地掌握和优化系统性能。