[linux] 进程调度 & 系统调用
文章来自公众号 ： 技术乱舞
关于进程调度和系统调用也有很多知识，在这浅析一下这两方面的知识。
进程调度
上节谈了进程，进程算是程序运行状态的表现，接下来谈谈进程调度，直白点就是哪个进程要投入运行，占用cpu，什么时候运行，运行多长时间。
多任务操作系统
多任务操作系统，可以同时运行多个进程的操作系统，官方点就是同时并发的执行多个进程。在单核处理器上，其实单位时间内只能处理一个程序，多核处理器上，才算是真正的多任务，就比如四核处理器，其实他真正能同时并发运行的程序最多只有四个，但在使用操作系统的我们看来却不是，感觉能同时运行好多进程。
多任务操作系统主要分为两类：非抢占式多任务，抢占式多任务
- 抢占式(这节最主要谈的)，就是利用调度程序来决定进程什么时候停止，什么时候从阻塞再运行，这个动作或者操作就叫抢占
- 非抢占式，说白了就是只有这个进程自己不运行完成，或者主动阻塞，它会一直运行下去。
对于linux来说肯定是抢占式的，并且随着时间的推移，调度算法也在慢慢改进，现在使用的是CFS(完全公平调度算法)
进程调度策略
策略决定调度程序在什么时候运行什么程序，在进程调度中如何更好的来让进程运行达到最优，一般考虑下面两种进程
- I/O消耗型
- 处理器消耗型
对于第一种来说，说白了就是大量的时间在等待I/O请求，比如键盘输入，网络，GUI图形界面，对于这种类型的进程最重要的就是响应时间最重要。
对于第二种cpu密集型的进程，大多数时间消耗在执行代码上，，这种进程调度策略应该是降低调度频率，延长运行时间。
对于系统调度策略来说，其实就是要平衡这两个矛盾，一个进程响应速度（极小化响应时间）另一个最大系统利用率（极大化系统吞吐率）
基本调度算法
- 优先级调度
- 时间片
优先级调度，一般有两种，一种是nice值，nice 值的范围是 [-20, 19]。默认的 default 值为 0；越低的 nice 值，代表着越高的优先级，反之，越高的 nice 值代表着越低的优先级。另一种是实时优先级，实时优先级是可配置的默认情况下的范围是 0~99，与 nice 值相反，越高的实时优先级数值代表着越高的优先级。任何实时进程的优先级都高于普通进程的优先级。
时间片，其实就是当前进程被抢占前能运行多久，每个时间片运行不同的进程。
关于基本调度算法，只是稍微提及了一下，像时间片有关的CFS，后面再介绍，如果有兴趣网上有很多解答。
Linux调度算法
Linux 总的调度结构，称之为 调度器类（scheduler class），允许不同的可动态添加的调度算法并存，总调度器根据调度器类的优先顺序，依次去进行调度器类的中的进程进行调度，挑选了调度器类，再在这个调度器内，使用这个调度器类的算法（调度策略）进行内部的调度。
Scheduling Class 的优先级顺序为 Stop_ask > Real_Time > Fair > Idle_Task,用的最多的是 Real_time 和 Fair ，下面主要介绍这两类。
CFS调度算法
在 CFS 中，给每一个进程安排了一个虚拟时钟 vruntime（virtual runtime），这个变量并非直接等于他的绝对运行时间，而是根据运行时间放大或者缩小一个比例，CFS 使用这个 vruntime 来代表一个进程的运行时间。如果一个进程得以执行，那么他的 vruntime 将不断增大，直到它没有执行。没有执行的进程的 vruntime 不变。调度器为了体现绝对的完全公平的调度原则，总是选择 vruntime 最小的进程，让其投入执行。他们被维护到一个以 vruntime 为顺序的红黑树 rbtree 中，每次去取最小的vruntime 的进程来投入运行。实际运行时间到 vruntime 的计算公式为：
[ vruntime = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重 ]
这里的1024代表nice值为0的进程权重。所有的进程都以nice为0的权重1024作为基准，计算自己的vruntime。上面两个公式可得出，虽然进程的权重不同，但是它们的 vruntime增长速度应该是一样的 ，与权重无关。既然所有进程的vruntime增长速度宏观上看应该是同时推进的，那么就可以用vruntime来选择运行的进程，vruntime值较小就说明它以前占用cpu的时间较短，受到了“不公平”对待，因此下一个运行进程就是它。这样既能公平选择进程，又能保证高优先级进程获得较多的运行时间，这就是CFS的主要思想。（上面两段话来源：https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/86290196）
实时调度策略
实时策略主要分为两种：
SCHED_FIFO ：一个这种类型的进程出于可执行的状态，就会一直执行，直到它自己被阻塞或者主动放弃 CPU；它不基于时间片，可以一直执行下去，只有更高优先级的 SCHED_FIFO 或者 SCHED_RR 才能抢占它的任务，如果有两个同样优先级的 SCHED_FIFO 任务，它们会轮流执行，其他低优先级的只有等它们变为不可执行状态，才有机会执行。
SCHED_RR ：与 SCHED_FIFO 大致相同，只是 SCHED_RR 级的进程在耗尽其时间后，不能再执行，需要接受 CPU 的调度。当 SCHED_RR 耗尽时间后，同一优先级的其他实时进程被轮流调度。
抢占和上下文切换
上下文切换，也就是从一个执行进程切换到另一个可执行进程。
在内核里，如上面图中所描绘的，当一个优先级高的进程进入可执行状态的时候，切换进程，其实图中说的听明白，设置标志位，调用schedule()切换新进程。
用户抢占
内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched被设置，此时就会发生用户抢占。简单的说，用户抢占发生在下面两种情况下
- 从系统调用返回用户空间时
- 从中断处理程序返回用户空间时
内核抢占
简单的说说在什么时候发生内核抢占
- 中断处理程序正在执行，返回内核空间之前
- 内核代码再一次具有可抢占性的时候
- 内核中的任务显式地调用schedule()
- 内核中的任务阻塞
小结
调度是内核重要的组成部分，但是在这只是简单的介绍了介绍，很多细节都没有太多提及，大体上谈了谈调度的相关知识，但对于入门来说，够用了。
系统调用
什么是系统调用，说白了就是用户空间与内核空间交互的媒介。系统调用在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层，主要有三个作用，首先为用户空间提供了一种硬件的抽象接口，第二，系统调用保证了系统的安全和稳定性，最后，进程运行在虚拟系统中，不能直接与硬件随意访问。系统调用是用户空间访问内核的唯一手段。
上图简单明了的解释了系统调用的过程，同时也可以系统调用一个处理程序调用执行一个系统调用，像内核需要给系统调用乘以4，如下图调用过程。
copy_to_user() copy_from_user()
从函数名字就可以看出函数大概的意思了，在写驱动的时候会经常用到这两个函数，之前学习驱动的时候专门了解了这两个函数。
在linux系统中，每个进程的运行空间分为内核空间和用户空间。之所以划分成这两个空间，是因为在 CPU 的所有指令中，有些指令是非常危险的，如果错用，将导致系统崩溃，比如清内存、设置时钟等。如果允许所有的程序都可以使用这些指令，那么系统崩溃的概率将大大增加。所以，CPU 将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。这样将进程的运行空间分为内核空间和用户空间，会大大降低系统崩溃的可能性。
对于32位系统，每个进程拥有 4G 的地址空间，较低的 3G 字节(从虚拟地址 0x00000000 到 0xBFFFFFFF)由进程使用，称为用户空间。而最高的 1G 字节(从虚拟地址 0xC0000000 到 0xFFFFFFFF)由内核使用，称为内核空间。由于两个空间是独立的，要实现内核空间与用户空间的数据传递就会用到copy_to_user()和copy_from_user()这两个函数。
unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long n);
上面的函数是将内核空间的数据复制到用户空间，to:目标地址，from:源地址，n拷贝的大小。
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);
上面的函数是将用户空间的数据复制到内核空间，to:目标地址，from:源地址，n拷贝的大小。
这两个函数可以实现内核空间和用户空间的数据交互。
小结
写这个的时候感觉有些知识点自己明白，可是表达出来却有难度，共同学习，共同进步，文章写的有些粗糙，宏观上谈论了进程调度，内核知识的学习我在路上，下一知识点重中之重interrupt。
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