文章目錄

• • • 進(jìn)程的由來
    • 進(jìn)程的定義
    • • 注意
      • 該如何去理解進(jìn)程和進(jìn)程實體
      • PCB記錄的信息
    • 處理器管理概述
    • 處理器管理實例 -- Linux2.6內(nèi)核上的實現(xiàn)
    • • Linux調(diào)度器的簡史
      • • Linux2.4調(diào)度器
        • Linux的O(1)調(diào)度器
        • Linux的cfs調(diào)度器
    • 參考

??在前面 操作系統(tǒng)緒論中有介紹到操作系統(tǒng)的幾大部分：處理機(jī)管理 存儲管理 設(shè)備管理 文件管理 用戶接口。這篇文章主要是對處理器管理這一部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

進(jìn)程的由來

??從聯(lián)機(jī)批處理 -> 脫機(jī)批處理 -> 多道批處理 -> 多道程序設(shè)計技術(shù)，很大的原因是cpu和其他硬件資源速度不匹配（cpu太快，其他硬件速度都跟不上），操作系統(tǒng)設(shè)計人員為了緩解cpu和硬盤等硬件速度上的差距、提高cpu的利用率而不斷改進(jìn)操作系統(tǒng)的結(jié)果。充分體現(xiàn)了物盡其用這個原則。
??程序就是一個指令序列。在未出現(xiàn)多道程序設(shè)計之前，只支持單道程序，操作系統(tǒng)只是一個一個按順序執(zhí)行程序，所以計算機(jī)中的所有資源都被當(dāng)前運行的程序所享有，包括內(nèi)存。當(dāng)時內(nèi)存僅僅被劃分為程序段和數(shù)據(jù)段，程序段用于存放程序代碼，數(shù)據(jù)段則用于存放程序的數(shù)據(jù)。因為只有一個程序，所以很容易就可以找到相應(yīng)的程序段和數(shù)據(jù)段。
??多道程序設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)，支持同一時間內(nèi)多個程序并發(fā)（當(dāng)一道程序因I/O請求而暫停運行時，CPU便立即轉(zhuǎn)去運行另一道程序。）。這樣內(nèi)存中就需要存放各個運行程序的相關(guān)信息。這樣就產(chǎn)生一個問題，操作系統(tǒng)如何才能找到個程序的存放位置？
??所以為了方便操作系統(tǒng)管理和完成多個程序并發(fā)執(zhí)行，引入了進(jìn)程和進(jìn)程實體的概念。操作系統(tǒng)為每一個運行的程序配置了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)程控制塊（PCB）用來描述進(jìn)程的各種信息，例如代碼的存放位置，數(shù)據(jù)存放位置等。并不是直接存放程序段和數(shù)據(jù)段的內(nèi)容，程序段、數(shù)據(jù)段的內(nèi)容存放在內(nèi)存其他地方，但是由于PCB的存中，很容易獲取到這些信息。
??PCB、程序段、數(shù)據(jù)段三個部分構(gòu)成了進(jìn)程實體，也稱進(jìn)程印象。一般情況下，我們把進(jìn)程實體簡稱為進(jìn)程，例如所謂的創(chuàng)建進(jìn)程，實質(zhì)上是創(chuàng)建進(jìn)程實體的PCB；而撤銷進(jìn)程，實質(zhì)上是撤銷進(jìn)程實體中的PCB。

進(jìn)程的定義

??進(jìn)程的定義并沒有一個統(tǒng)一的說法，自己比較認(rèn)同的就是：
??進(jìn)程是具有獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上一次動態(tài)執(zhí)行的過程。

注意

??嚴(yán)格來說，進(jìn)程實體和進(jìn)程并不一樣，進(jìn)程實體是靜態(tài)的，進(jìn)程則是動態(tài)的。Linux內(nèi)核通常把進(jìn)程也叫任務(wù)。

該如何去理解進(jìn)程和進(jìn)程實體

??PCB、程序段、數(shù)據(jù)段三個部分構(gòu)成了進(jìn)程實體。程序本身和進(jìn)程實體只相差了一個PCB，二者均是靜態(tài)的，即是存儲起來的狀態(tài)，而進(jìn)程所描述的，是進(jìn)程實體運行的過程，或者說是程序運行的過程，即強(qiáng)調(diào)的是程序的運行，動態(tài)的過程。

PCB記錄的信息

??從上述可以知道，pcb是一個很重要的結(jié)構(gòu)，里面一般存放什么信息呢？

• 進(jìn)程描述信息
• 進(jìn)程標(biāo)識符PID：當(dāng)進(jìn)程被創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)會為該進(jìn)程分配一個唯一的、不重復(fù)的ID，用于區(qū)分不同的進(jìn)程，就像是身份證號
• 用戶標(biāo)識符UID
• 進(jìn)程控制和管理信息
• 進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)
• 進(jìn)程優(yōu)先級
• 資源分配清單
• 處理機(jī)相關(guān)信息

處理器管理概述

??處理器管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理，調(diào)度和分派計算機(jī)系統(tǒng)的重要資源————處理器，并控制程序的執(zhí)行。
??操作系統(tǒng)的基本任務(wù)是對“進(jìn)程”實施管理，操作系統(tǒng)必須有效有效控制進(jìn)程的執(zhí)行，給進(jìn)程分配資源，準(zhǔn)許進(jìn)程之間交換信息，保護(hù)每個進(jìn)程在運行期間免受其他進(jìn)程干擾，控制進(jìn)程的互斥、同步和通信。
??早期的計算機(jī)系統(tǒng)是基于單個處理器的順序處理機(jī)器。程序員編寫串行執(zhí)行的代碼，讓其在處理器上串行執(zhí)行，每一條指令的執(zhí)行也是串行的（取指令，取操作數(shù)，執(zhí)行操作，存出結(jié)果）。單核的處理器管理也很容易理解，cpu調(diào)度策略也很多（FCFS、優(yōu)先級調(diào)度、SJF調(diào)度、RR調(diào)度、多級反饋調(diào)度）
??但是為了提高cpu硬件的性能，逐步發(fā)展出了流水線系統(tǒng)（解決了指令并行的問題）和多核CPU。由于多核處理器有多個核心，那么在多核處理器工作時就存在任務(wù)分配、調(diào)度、仲裁以及負(fù)載均衡等諸多問題。這時候的操作系統(tǒng)的處理器管理要是想利用上多核cpu的優(yōu)勢，必須優(yōu)化系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法，一般多核上任務(wù)調(diào)度算法有全局隊列調(diào)度和局部隊列調(diào)度。前者是指操作系統(tǒng)維護(hù)一個全局的任務(wù)等待隊列，后者是指操作系統(tǒng)為每個CPU內(nèi)核維護(hù)一個局部的任務(wù)等待隊列。

硬件知識：
按照計算機(jī)在一個執(zhí)行階段能執(zhí)行的指令或能處理的最大可能數(shù)可將計算機(jī)分為四類：

??1.單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）；

??2.單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）；

??3.多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）；

??4.多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）。

??MIMD系統(tǒng)劃分為：共享內(nèi)存的緊密耦合MIMD系統(tǒng)；內(nèi)存分布的松散耦合MIMD系統(tǒng)。

??根據(jù)處理器分配策略，緊密耦合MIMD系統(tǒng)可以分為主從式系統(tǒng)MSP；對稱式系統(tǒng)SMP。

??操作系統(tǒng)對不同的計算機(jī)結(jié)構(gòu)有不同的支持，我們接觸的個人計算機(jī)大多是SMP(最大的特點就是共享所有資源)。

處理器管理實例 – Linux2.6內(nèi)核上的實現(xiàn)

??下面提到的Linux如果不是特別指明都是代指Linux2.6.32內(nèi)核。

Linux調(diào)度器的簡史

從Linux2.4之前的內(nèi)核調(diào)度器 -> Linux2.4調(diào)度器 -> Linux2.6的O(1)調(diào)度器 -> Linux新一代調(diào)度器CFS

Linux2.4調(diào)度器

過程：2.4的調(diào)度算法，將所有的就緒進(jìn)程組織成一條可運行隊列，不管是單核環(huán)境還是smp環(huán)境，cpu都只從這條可運行隊列中循環(huán)遍歷直到挑選到下一個要運行的進(jìn)程。如果所有的進(jìn)程的時間片都用完，就重新計算所有進(jìn)程的時間片。
2.4調(diào)度的不足：
1）一個明顯的缺點就是時間復(fù)雜度為O(n)，每次都要遍歷隊列，效率低！。雖然說O(n)的復(fù)雜度看起來不是很糟糕，而且系統(tǒng)能容納進(jìn)程數(shù)量也不一定會很大，但復(fù)雜度為O(n)還是很難忍受的。
2）由于在smp環(huán)境下多個cpu還是使用同一條運行隊列，所以進(jìn)程在多個cpu間切換會使cpu的緩存效率降低，降低系統(tǒng)的性能。
3）多個cpu共享一條運行隊列，使得每個cpu在對隊列操作的時候需要對運行隊列進(jìn)行加鎖，這時如果其他空閑cpu要訪問運行隊列，則只能等待了。由2、3兩點可以看出2.4的調(diào)度算法對smp環(huán)境的伸縮性不高！不能很好地支持smp環(huán)境。
4）不支持內(nèi)核搶占，內(nèi)核不能及時響應(yīng)實時任務(wù)，無法滿足實時系統(tǒng)的要求（即使linux不是一個硬實時，但同樣無法滿足軟實時性的要求）。
5）進(jìn)程的剩余時間是除了nice值外對動態(tài)優(yōu)先級影響最大的因素，并且系統(tǒng)將休眠次數(shù)多的進(jìn)程的剩余時間疊加起來，從而得出更大的動態(tài)優(yōu)先級。這體現(xiàn)了 系統(tǒng)更傾向優(yōu)先執(zhí)行I/O型進(jìn)程。內(nèi)核就是通過這種方式來提高交互進(jìn)程的優(yōu)先級，使其優(yōu)先執(zhí)行。但休眠多的進(jìn)程就代表是交互型的進(jìn)程嗎？并不是的，這只能 說明它是I/O型進(jìn)程。I/O型進(jìn)程需要進(jìn)行I/O交互，如讀寫磁盤時進(jìn)程會經(jīng)常處于休眠的狀態(tài)。如果把這種進(jìn)程當(dāng)成是交互進(jìn)程，反而會影響其他真正的交 互進(jìn)程。
6）簡單的負(fù)載平衡。那個cpu空閑就把就緒的進(jìn)程調(diào)度到這個cpu上去執(zhí)行。或者某個cpu的進(jìn)程的優(yōu)先級比某個進(jìn)程低，就調(diào)度到那個cpu上去執(zhí)行。這樣簡單的負(fù)載平衡缺點不言而喻。進(jìn)程遷移比較頻繁，而且出現(xiàn)2、3的情況。這樣的負(fù)載平衡弊大于利！

Linux的O(1)調(diào)度器

過程：每個cpu維護(hù)一個自己的運行隊列，每個運行隊列有分別維護(hù)自己的active隊列與expried隊列。當(dāng)進(jìn)程的時間片用完后就會被放入expired 隊列中。當(dāng)active隊列中所有進(jìn)程的時間片都用完，進(jìn)程執(zhí)行完畢后，交換active隊列和expried。這樣expried隊列就成為了 active隊列。這樣做只需要指針的交換而已。當(dāng)調(diào)度程序要找出下一個要運行的進(jìn)程時，只需要根據(jù)上面提過的位圖宏來找出優(yōu)先級最高的且有就緒進(jìn)程的隊 列。這樣的數(shù)據(jù)組織下，2.6的調(diào)度程序的時間復(fù)雜度由原來2.4的O(n)提高到O(1)。而其對smp環(huán)境具有較好的伸縮性。

Linux的cfs調(diào)度器

過程：與之前的Linux調(diào)度器不同，CFS沒有將任務(wù)維護(hù)在鏈表式的運行隊列中，它拋棄了active/expire數(shù)組，而是對每個CPU維護(hù)一個以時間為順序的紅黑樹。

Linux的CFS調(diào)度器詳細(xì)。

??Linux進(jìn)程調(diào)度一些設(shè)計思想：
??把進(jìn)程抽象成進(jìn)程描述符task_struct：包含進(jìn)程所必需的數(shù)據(jù)，如狀態(tài)信息、調(diào)度信息、優(yōu)先級信息、內(nèi)存頁信息等。
??把需要調(diào)度的東西抽象成調(diào)度實體sched_entity：調(diào)度實體可以是進(jìn)程、進(jìn)程組、用戶等。這里包含負(fù)載權(quán)重值、對應(yīng)紅黑樹結(jié)點、虛擬運行時vruntime等。
??把調(diào)度策略（算法）抽象成調(diào)度類sched_class：包含一組通用的調(diào)度操作接口，將接口和實現(xiàn)分離。你可以根據(jù)這組接口實現(xiàn)不同的調(diào)度算法，使得一個Linux調(diào)度程序可以有多個不同的調(diào)度策略。
??把調(diào)度的組織抽象成可運行隊列rq：包含自旋鎖、進(jìn)程數(shù)量、用于公平調(diào)度的CFS信息結(jié)構(gòu)、當(dāng)前正在運行的進(jìn)程描述符等。實際的進(jìn)程隊列用紅黑樹來維護(hù)（通過CFS信息結(jié)構(gòu)來訪問）。
??把CFS調(diào)度的運行隊列信息抽象成cfs_rq：包含紅黑樹的根結(jié)點、正在運行的進(jìn)程指針、用于負(fù)載平衡的葉子隊列等。
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參考

??https://www.cnblogs.com/814467783sweet/p/9634631.html
??https://www.cnblogs.com/zhoug2020/p/3967328.html
??https://blog.csdn.net/zhoudaxia/article/details/7375668
??https://www.docin.com/p-1396901563.html
??《Linux設(shè)計與實現(xiàn)》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统 -- 处理器管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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