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linux进程管理论文篇一
基于Linux系统中进程调度分析
摘要]Linux是一个多用户多任务的操作系统,Linux中实现了对多个进程公平、高效的调度,并不是采用单一的调度策略,而是几种调度策略有机地综合应用。
[关键词] 进程调度 优先级 时间片轮转 实时进程
在任何一种操作系统中,进程调度一直是一个核心问题,进程调度策略的选择对整个系统性能有至关重要的影响,一个好的调度算法应该考虑很多方面:公平、有效、响应时间、周转时间、系统吞吐量等等,但这些因素之间又是相互矛盾的,最终的取舍根据系统要达到的目标而定,本文以Linux操作系统为例,分析其进程调度策略,以期对进程调度过程有更深层次的认识。
一、 Linux的进程调度
Linux支持多进程,进程控制块PCB(Process Control Block)是系统中最为重要的数据结构之一,用来存放进程所必需的各种信息,PCB用结构task-struct来表示,包括进程的类型、进程状态、优先级、时钟信息等,Linux系统中,进程调度操作由schedule()函数执行,这是一个只在内核态运行的函数,函数代码为所有进程共享。
二、 Linux进程调度时机
Linux的进程调度时机与现代操作系统中的调度时机基本一致,为了判断是否可以执行内核的进程调度程序来调度进程,Linux中设置了进程调度标志need-resched,当标志为1时,可执行调度程序.通常,Linux调度时机分以下两种情况:(1)主动调度:指显式调用schedule()函数明确释放CPU,引起新一轮调度.一般发生在当前进程状态改变,如:进程终止、进程睡眠、进程对某些信号处理过程中等,(2)被动调度:指不显示调用schedule()函数,只是PCB中的need-resched进程调度标志,该域置位为1将引起新的进程调度,而每当中断处理和系统调用返回时,核心调度程序都会主动查询need-resched的状态(若置位,则主动调用schedule()函数),一般发生在新的进程产生时、某个进程优先级改变时、某个进程等待的资源可用被唤醒时、当前进程时间片用完等。
三、Linux进程调度策略
一般来说,不同用途的操作系统的调度策略是不同的,Linux进程调度是将优先级调度、时间片轮转法调度、先进先出调度综合起来应用,Linux系统中,不同类型的进程调度策略也不一样。
1. 与进程调度相关的数据结构
每个进程都是一个动态的个体,其生命周期依次定义的数据结构为:TASK-RUNNING,TASK-INTERRUPTIBLE,TASK-UNINTERRUPTIBLE,TASK-ZOMBIE和TASK-STOPPED,一个进程在其生存期间,状态会发生多次变化,与其数据结构相对应的即是Linux进程的状态,分别是:运行态、等待态、暂停态和僵死态。
2. 进程状态及其转换过程的描述
进程创建时的状态为不可打断睡眠,在do-fork()结束前被父进程唤醒后,变为执行状态,处于执行状态的进程被移到run-queue就绪任务队列中等待调度,适当时候由schedule()按调度算法选中,获得CPU,若采用轮转法,即时,由时钟中断触发timer-interrupt(),其内部调用schedule(),引起新一轮调度,当前进程的状态仍处于执行状态,因而把当前进程挂到ruil-queue队尾。
获得CPU且正在运行的进程若申请不到某资源,则调用sleep-on()或interruptible-sleep-on()睡眠,其task-struct进程控制块挂到相应资源的wait-queue等待队列,如果调用sleep-on(),则其状态变为不可打断睡眠,如果调用interruptible-sleep-on(),则其状态变为可打断睡眠,Sleep-on()或interruptible-sleep-on()将调用schedule()函数把睡眠进程释放.
3.进程分类和相应的进程调度策略
Linux系统中,为了高效地调度进程,将进程分成两类:实时进程和普通进程(又称非实时进程或一般进程),实时进程的优先级要高于其他进程,如果一个实时进程处于可执行状态,它将先得到执行,实时进程又有两种策略:时间片轮转和先进先出,在时间片轮转策略中,每个可执行实时进程轮流执行一个时间片,而先进先出策略每个进程按各自在运行队列中的顺序执行且顺序不能变化。
在Linux中,进程调度策略共定义了3种:
Linux系统中的每个进程用task-struct结构来描述,进程调度的依据是task-struct结构中的policy、priority、counter和rt-priority,PCB中设置Policy数据项,其值用于反映针对不同类型的进程而采用的调度策略。SCHED- RR和SCHED-FIFO用于实时进程,分别表示轮转调度策略和先进先出调度策略;SCHED-OTHER表示普通进程,也按照轮转调度策略处理。这三类调度策略均基于优先级.PCB中设置Priority数据项,其值为普通进程的调度优先级.普通进程的可用时间片的初始值即为该值,该值通过系统调用是可以改变的。
PCB中设置rt-priority数据项,其值是实时进程专用的调度优先级,实时进程的可用时间片的初始值即为该值,该优先级也可以用系统调用来修改,PCB中设置counter数据项,用于进程可用时间片时值的计数,初始值为rt-priority或Priority,进程启动后该值随时钟周期递减。
通过对Linux进程调度策略的简单分析,可以看出多进程的管理是一种非常复杂的并发程序设计,每个进程的状态不仅由其自身决定,而且还要受诸多外在因素的影响,而在此基础上的进程调度,为了保证操作系统的稳定性、提高效率和增加灵活性,还必须采用很多方法,这些都是值得我们去研究和探讨的。
参考文献:
[1]刘振鹏李亚平王煜:操作系统[M].北京:中国铁道出版社,2003
[2]赵明富李太福陈鸿雁:Linux嵌入式系统的实时性分析[J].电脑知识与技术,2003,29(18):53―55
linux进程管理论文篇二
Linux2.6内核代码分析――进程管理
摘要:随着计算机开发以及教学工作的深入,大家也不可避免的要接触到基于Linux内核的各种操作系统。如何迈入Linux的大门,并充分利用Linux开源、灵活等特性呢?解读内核源码无疑是理解并掌握linux的关键。本篇文章,主要是对Linux内核进程管理部分进行笼统的解读,帮助读者快速掌握Linux进程管理的主线,对读者的理解起到抛砖引玉的作用。
关键词:Linux2.6;内核代码;进程管理
一
Linux是最受欢迎的自由电脑操作系统内核。它是一个用C语言写成,符合POSIX标准的类Unix操作系统。Linux最早是由芬兰黑客 Linus Torvalds为尝试在英特尔x86架构上提供自由免费的类Unix操作系统而开发的。技术上说Linux是一个内核。“内核”指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。一个内核不是一套完整的操作系统。一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统,或是GNU/Linux。
Linux内核的主要模块(或组件)分以下几个部分:存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信,以及系统的初始化(引导)、系统调用等。一般地,可以从Linux内核版本号来区分系统是否是Linux稳定版还是测试版。以版本2.4.0为例,2代表主版本号,4代表次版本号,0代表改动较小的末版本号。在版本号中,序号的第二位为偶数的版本表明这是一个可以使用的稳定版本,如2.2.5,而序号的第二位为奇数的版本一般有一些新的东西加入,是个不一定很稳定的测试版本,如2.3.1。这样稳定版本来源于上一个测试版升级版本号,而一个稳定版本发展到完全成熟后就不再发展。本文是针对2.4.0版本内核进行分析。有于篇幅有限阅读前需要读者自行下载相应内核源码。
Linux内核可分为三类,即硬件(异常)中断处理文件,系统调用服务文件,及通用功能文件。其中通用类程序包括以下五种:sched.c、mktime.c、panic.c、printk.c、vsprintf.c。这其中的sched.c程序是内核的核心调度程序,主要用作切换进程或改变进程执行状态。schedule.c下有linux内核调用最频繁的三个函数,分别是:schedule()、sleep_on()、wakeup()
二
schedule()函数首先对所有进程进行检测,唤醒任何一个已经得到信号的任务。主要是任务数组中的每个进程,检测其报警定时值alarm。若alarm 随后的调度函数是代码核心部分。这部分代码根据进程时间片和优先权调度机制,来选择随后要执行的任务。他首先循环检测任务数组中所有任务,根据每个就绪态任务剩余执行时间(counter),选取最大counter值的任务,并利用switch_to()函数切换到任务。若所有任务counter值都为0,表示此刻所有任务的时间片都已经用完,则格局任务优先权值(priority),重置每个人物运行时间片值,再重新检测搜有任务执行时间片值。以下是代码中主要函数及结构的功能:(参见/include/linux/sched.h、/kernel/sched.c)
(1) void sched_show_task(struct task_struct *p)/*显示任务nr的进程号、进程状态和内核
/*空闲字节数
(2) void show_state_filter(unsigned long state_filter)/*显示所有任务的任务号、进程号、进程状态及内核对咱空闲字节数*/
(3) task_struct定义在/include/linux/sched.h中 Linux的进程控制块task_struct包含有进程的描述信息、控制信息以及资源信息,是进程的静态描述。进程控制块包括:进程标识符、优先级、堆栈空间、进程状态四部分。其重要成员为state(volatile long state)
……
2.6中新增了两种状态:TRACED、DEAD
TASK_DEAD是表示已经退出且不需父进程回收的进程的状态。而TASK_TRACED则供调试使用。TASK_ZOMBIE―一个已经终止的但仍保留有任务结构的进程;TASK_RUNNING―就绪态;TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNITERRUPTIBLE―不同深度的睡眠态;TASK_STOPPED―描述一个已经停止的进程,当进程接收到一个特殊信号或被使用ptrace系统调用的进程监控,并将控制权交给监控进程
(4) 关于优先级,prio是进程的动态优先级,是调度器选择候选进程next的主要依据; static_prio则是进程的静态优先级, 应该是进程开始时从父程继承来的。kernel/sched.c中定义了两个宏来完成将nice转换到prio的取值区间和将prioity转换到nice取值区间。
则可以看出prioity和nice的关系是:priority = MAX_RT_PRIO+nice+20。
进程优先级分实时和非实时两部分,两者不能混淆使用。
(5) run_list成员。
include/linux/list.h定义了一种抽象的双向链表struct list_head,通过它可以将任意类型的结构体链接到一起。task_struct也是通过这种方式链接起来的。
(6)activated成员
int activated;
表示进程因什么原因进入就绪态,这一原因会影响到调度优先级的计算。activated 有四个值:
-1,进程从 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态被唤醒;
0,缺省值,进程原本就处于就绪态;
1,进程从 TASK_INTERRUPTIBLE 状态被唤醒,且不在中断上下文中;
2,进程从 TASK_INTERRUPTIBLE 状态被唤醒,且在中断上下文中。
TASK_INTERRUPTIBLE 状态进程由中断激活,则该进程最有可能是交互式的,因此,置 activated=2;否则置activated=1。
如果进程是从 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态中被唤醒的,则 activated=-1(在try_to_wake_up()函数中)。
(7) 就绪进程队列 runqueue
内核为每CPU的数据结构,每个处理器都维护一个自己的就绪队列。定义在/kernel/sched.c 中。
注:i.其中nr_running为队列进程个数,本就绪队列中就绪进程的个数。它是active队列和expired队列就绪进程个数的和: nr_running = active->nr_active+ expired->nr_active
ii.prio_array_t *active, *expired, arrays[2];// 两个子队列
就绪队列根据时间片是否被用完分为了active队列和expired队列。queue是指定优先级进程list的指针,如queue[i]就是priority为 i 的进程的指针。bitmap是一张优先级的位图,或者可以说的位数组,每一位代表了一个优先级(类似uC/OS-II)。
MAX_PRIO指的是优先级的数量.
(8) 还有两个重要函数:sleep_on()、wakeup()分别用于自动进入睡眠,及唤醒进程,较schedule()难理解,由于篇幅有限,不再赘述。
以上是对Linux 2.4.0版本内核源码进程管理部分的概括分析,主要用来为Linux源码解读做一个引导,起到抛砖引玉的作用。但是由于时间,篇幅等种种原因,无法将全部函数调用以及相关代码一一呈现在读者面前,还望见谅。
参考文献:
[1] 范剑英; 吴岩; 贾佳; 周杨; 王长劲; 吴英.Linux2.6内核实时性分析与改进方案 [J].哈尔滨理工大学学报,2008,(1).
[2] 彭雪莲.LINUX2.6内核进程调度策略分析[J].大众科技,2008,(5).
