linux 编程 调度,Linux的进程线程及调度
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本文为宋宝华《Linux的进程、线程以及调度》学习笔记。
1 进程概念
1.1 进程与线程的定义
操作系统中的经典定义:
进程:资源分配单位。
线程:调度单位。
操作系统中用PCB(Process Control Block,进程控制块)来描述进程。Linux中的PCB是task_struct结构体。
1.2 进程生命周期
1.2.1 进程状态
R,TASK_RUNNING:就绪态或者运行态,进程就绪可以运行,但是不一定正在占有cpu
S,TASK_INTERRUPTIBLE:浅度睡眠,等待资源,可以响应信号,一般是进程主动sleep进入的状态
D,TASK_UNINTERRUPTIBLE:深度睡眠,等待资源,不响应信号,典型场景是进程获取信号量阻塞
Z,TASK_ZOMBIE:僵尸态,进程已退出或者结束,但是父进程还不知道,没有回收时的状态
T,TASK_STOPED:停止,调试状态,收到SIGSTOP信号进程挂起
1.2.2 进程创建与消亡相关API
1)system()
通过调用shell启动一个新进程
2)exec()
以替换当前进程映像的方式启动一个新进程
3)fork()
以复制当前进程映像的方式启动一个新进程,子进程中fork()返回0,父进程fork()返回为子进程ID。
4)wait()
父进程挂起,等待子进程结束。
5)孤儿进程与僵尸进程
孤儿进程:一个父进程退出,而它的一个或多个子进程还在运行,那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养,并由init进程对它们完成状态收集工作。孤儿进程不会浪费资源。
僵尸进程:一个进程使用fork创建子进程,如果子进程退出,而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息,那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。僵尸进程浪费系统资源(进程描述符task_struct存在,进程占用的资源被回收,不存在内存泄漏,实际上基本不浪费系统资源,参宋宝华的课程)。
避免僵尸进程:
僵尸进程产生原因:
1、子进程结束后向父进程发出SIGCHLD信号,父进程默认忽略了它;
2、父进程没有调用wait()或waitpid()函数来等待子进程的结束。
避免僵尸进程方法:
1、父进程调用wait()或者waitpid()等待子进程结束,这样处理父进程一般会阻塞在wait处而不能处理其他事情。
2、捕捉SIGCHLD信号,并在信号处理函数里面调用wait函数,这样处理可避免1中描述的问题。
3、fork两次,父进程创建儿子进程,儿子进程再创建一个孙子进程,然后儿子进程自杀,孙子进程成为孤儿进程被init进程收养。
1.3 进程间通信
1)信号
信号这里指的是事件。比如按CTRL-C组合键会发送SIGINT信号,进程里可以捕捉到这个信号进行相应处理。
2)管道PIPE
一切皆文件,管道的操作也是类似文件的操作。
popen()函数类似于fopen()函数,返回的是对象指针。
pipe()函数类似于open()函数,返回的是对象描述符。
管道是在亲属进程(同一父进程创建出的相关进程)之间进行数据传输的。
3)命名管道FIFO
命名管道可用于无亲属关系的进程间通信。
mkfifo()/mknod()将在文件系统中创建一个有路径和名称的文件。把这个管道文件当作普通文件用就行了,就可以实现进程间通信。
4)信号量
信号量、消息队列、共享内存是System V IPC机制。
临界区:任何时刻只能有一个进程进行独占式访问的代码区。
信号量:大部分进程间通信只需要二进制信号量,因此这里只讨论二进制信号量。进入临界区前,执行P操作(若信号量大于1则减1并进入临界区,否则挂起本进程);退出临界区时,执行V操作(若有进程在等待挂起则唤醒之,否则信号量加1)。
互斥量:互斥信号量是二进制信号量的一个子集。
5)消息队列
与命名管道类似,但不必考虑打开/关闭管道的复杂操作。消息队列独立于进程而存在。
6)共享内存
需要通信的进程间共享一块内存进行数据交换。
2 进程线程的实现本质
Linux调度器实际是识别task_struct进行调度。
无论进程线程,底层都对应一个task_struct,进程和线程的区别是共享资源的多少,两个进程间完全不共享资源,两个线程间共享所有资源。
2.1 fork()
执行fork后,父进程的task_struck对拷给子进程,父子进程最初资源完全一样,但是是两份不同的拷贝,因此任何改动都造成二者的分裂。
父子进程对内存资源(mm)的管理使用了COW(Copy-On-Write,写时拷贝)技术:
在fork之前,一片内存区对应一份物理地址和一份虚拟地址,内存区的权限为RW;
在fork之后,父子进程看到的内存区虚拟地址相同,物理地址也相同,父子进程使用的其实是同一片物理内存,未发生内存拷贝,操作系统会将此内存区权限改为RO;
父或子进程对内存区执行写操作将触发PageFault,操作系统此时会将内存区拷贝一份,父子进程看到的虚拟地址仍然一样,但是物理地址已经不同。各进程虚拟地址到物理地址的映射由MMU(Memory Management Unit,内存管理单元)管理。
fork运行在有MMU的cpu上。
2.2 vfork()
对于无MMU的cpu,无法应用COW,无法支持fork。
无MMU的cpu使用vfork创建进程,父进程将一直阻塞直到子进程exit或exec。
vfork和fork的本质区别是,vfork中的父子进程共用同一片内存区。
2.3 pthread_create()
Linux线程本质上就是进程,只是与进程间资源共享方式不同,线程间共享所有资源,如上图所示。
每个线程都有自己的task_struct,因此每个线程都可被cpu调度。多线程间又共享同一进程资源。这两点刚好满足线程的定义。
Linux就是这样用进程实现了线程,所以线程又称为轻量级进程。
2.4 PID和TGID
POSIX要求,同一进程的多个线程获取进程ID是得到的是唯一ID值。
Linux同一进程的多线程,在内核视角实际上每个线程都有一个PID,但在用户空间需要getpid返回唯一值,Linux使用了一个小技巧,引入了TGID的概念,getpid()返回的的TGID值。
进程视角的top命令:
不带参数的top命令(默认情况),显示的是进程对单核cpu的利用率,例如,一个进程内有三个线程,主线程创建了线程1和线程2,线程1和线程2都调用一个while(1),则对双核cpu而言,线程1和线程2各用一个核,占用率都是100%,则top命令看到的进程cpu利用率是200%,进程ID是主线程的PID(也就是TGID)。
线程视角的top命令:
top –H命令从线程视角显示cpu占用率,上例中,将会显示,线程1占用率100%,线程2占用率100%。
说线程的PID,是指用户空间的进程ID,值就是TGID;当特别指出,线程在内核空间的PID,则指线程在内核中task_struct里特有的PID。
3 进程调度
3.1 实时进程调度
SCHED_FIFO:不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠,优先级低的再跑;同等优先级先进先出。
SCHED_RR:不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠,优先级低的再跑;同等优先级轮转。
内核RT补丁:
如下两个参数
/proc/sys/kernel/sched_rt_period_us
/proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us
表示在period的时间里RT最多只能跑runtime的时间
3.2 普通进程调度
SCHED_OTHER:
3.2.1 动态优先级(早期2.6)
进程有IO消耗性和cpu消耗型两种衡量参数。
优先级高的意味着:1) 得到更多的时间片,2) 醒时能抢占优先级低的。时间片轮转。
内核存储静态优先级,用户可通过nice来修改静态优先级。
进程的动态优先级则是根据静态优先级实时计算出来的,调度算法奖励IO消耗性(调高优先级增加实时性)、处罚cpu消耗型(调低优先级减小实时性)
3.2.2 CFS:完全公平调度(新内核)
红黑树,左边节点小于右边节点的值
运行到目前为止vruntime最小的进程
同时考虑了cpu/IO和nice
总是找vruntime最小的线程调度。
vruntime = pruntime/weight × 1024;
vruntime是虚拟运行时间,pruntime是物理运行时间,weight权重由nice值决定(nice越低权重越高),则运行时间少、nice值低的的线程vruntime小,将得到优先调度。这是一个随运行而动态变化的过程。
工具chrt和renice:
设置SCHED_FIFO和50 RT优先级
# chrt -f -a -p 50 10576
设置nice
# renice -n -5 -g 9394
# nice -n 5 ./a.out
4 多核负载均衡
略
5 参考资料
总结
以上是编程之家为你收集整理的Linux的进程线程及调度全部内容,希望文章能够帮你解决Linux的进程线程及调度所遇到的程序开发问题。
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