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操作系统CPU上下文切换

进程切换

进行进程切换就是从正在运行的进程中收回处理器,然后再使待运行进程来占用处理器。 这里所说的从某个进程收回处理器,实质上就是把进程存放在处理器 的寄存器中的中间数据找个地方存起来,从而把处理器的寄存器腾出来让其他进程使用。那么被中止运行进程的中间数据存在何处好呢?当然这个地方应该是进程的 私有堆栈。

让进程来占用处理器,实质上是把某个进程存放在私有堆栈中寄存器的数据(前一次本进程被中止时的中间数据)再恢复到处理器的寄存器中去,并把待运行进程的断点送入处理器的程序指针PC,于是待运行进程就开始被处理器运行了,也就是这个进程已经占有处理器的使用权了。

这就像多个同学要分时使用同一张课桌一样,说是要收回正在使用课桌同学的课桌使用权,实质上就是让他把属于他的东西拿走;而赋予某个同学课桌使用权,只不过就是让他把他的东西放到课桌上罢了。

在切换时,一个进程存储在处理器各寄存器中的中间数据叫做进程的上下文,所以进程的 切换实质上就是被中止运行进程与待运行进程上下文的切换。在进程未占用处理器时,进程 的上下文是存储在进程的私有堆栈中的。

从上面的叙述可知,调度器进程切换的代码应有如下功能:

  ● 保存处理器PC寄存器的值到被中止进程的私有堆栈;

  ● 保存处理器PSW寄存器的值到被中止进程的私有堆栈;

  ● 保存处理器SP寄存器的值到被中止进程的进程控制块;

  ● 保存处理器其他寄存器的值到被中止进程的私有堆栈;

  ● 自待运行进程的进程控制块取SP值并存入处理器的寄存器SP;

  ● 自待运行进程的私有堆栈恢复处理器各寄存器的值;

  ● 自待运行进程的私有堆栈中弹出PSW值并送入处理器的PSW;

  ● 自待运行进程的私有堆栈中弹出PC值并送入处理器的PC。

显然,进程的切换可以用中断技术来实现,即当调度器获得了待运行进程的控制块之后,应立即用软 中断指令来中止当前进程的运行,并保存当前进程的PC值和PSW值。其后,使 用压栈指令把处理器其他寄存器的值压入进程私有堆栈。接下来,就从待运行进程的进程控 制块中取出私有堆栈指针的值并存入处理器的寄存器SP,至此SP就指向了待运行进程的私 有堆栈,于是下面就自待运行进程的私有堆栈中弹出上下文进人处理器。最后,利用中断返回指令来实现自待运行进程的私有堆栈中弹出PSW值和自待运行进程的 私有堆栈中弹出PC值的功能。

这是一个完整的软中断处理过程,只不过在保护现场和恢复现场工作中,保护的是被中止 运行进程的现场,恢复的是待运行进程的现场,这一切都依赖于堆栈指针的切换。

进程调度

1:进程类型:

在linux调度算法中,将进程分为两种类型。即:I/O消耗型和CPU消耗型。例如文本处理程序与正在执行的Make的程序。文本处理程序大部份时间都 在等待I/O设备的输入,而make程序大部份时间都在CPU的处理上。因此为了提高响应速度,I/O消耗程序应该有较高的优先级,才能提高它的交互性。 相反的,Make程序相比之下就不那么重要了。只要它能处理完就行了。因此,基于这样的原理,linux有一套交互程序的判断机制。

在task_struct结构中新增了一个成员:sleep_avg.此值初始值为100。进程在CPU上执行时,此值减少。当进程在等待时,此值增加。最后,在调度的时候。根据sleep_avg的值重新计算优先级。

2:进程优先级

正如我们在上面所说的:交互性强的需要高优先级,交互性弱的需要低优先级。在linux系统中,有两种优先级:普通优先级和实时优先级。

3:运行时间片

进程的时间片是指进程在抢占前可以持续运行的时间。在linux中,时间片长短可根据优先级来调度。进程不一定要一次运行完所有的时间片,可以在运时的中途被切换出去。

4:进程抢占

当一个进程被设为TASK_RUNING状态时。它会判断它的优先级是否高于正在运行的进程。如果是,则设置调度标志位,调用schedule()执行进程的调度。当一个进程的时间片为0时,也会执行进程抢占。

关于CPU,有3个重要的概念:上下文切换(context switchs),运行队列(Run queue)和使用率(utilization)。

上下文切换:

目前流行的CPU在同一时间内只能运行一个线程,超线程的处理器可以在同一时间运行多个线程(包括多核CPU),Linux内核会把多核的处理器当作多个单独的CPU来识别。

一个标准的Linux内核可以支持运行50~50000个进程运行,对于普通的CPU,内核会调度和执行这些进程。每个进程都会分到CPU的时间片来运 行,当一个进程用完时间片或者被更高优先级的进程抢占后,它会备份到CPU的运行队列中,同时其他进程在CPU上运行。这个进程切换的过程被称作上下文切 换。过多的上下文切换会造成系统很大的开销。

运行队列

每个CPU都会维持一个运行队列,理想情况下,调度器会不断让队列中的进程运行。进程不是处在sleep状态就是run able状态。如果CPU过载,就会出现调度器跟不上系统的要求,导致可运行的进程会填满队列。队列愈大,程序执行时间就愈长。

关于时间片和动态优先级

时间片对于CPU来说是很关键的参数,如果时间片太长,就会使系统的交互性能变差,用户感觉不到并行。如果太短,又会造成系统频繁的上下文切换,使性能 下降。对于IO Bound的系统来讲并不需要太长的时间片,因为系统主要是IO操作;而对于CPU Bound的系统来说需要长的时间片以保持cache的有效性。

每一个进程启动的时候系统都会给出一个默认的优先级,但在运行过程中,系统会根据进程的运行状况不断调整优先级,内核会升高或降低进程的优先级(每次增加或降低5),判断标准是根据进程处于sleep状态的时间。

IO Bound进程大部分时间在sleep状态,所以内核会调高它的优先级,CPU Bound进程会被内核惩罚降低优先级。因此,如果一个系统上即运行IO Bound进程,又运行CPU Bound进程,会发现,IO Bound进程的性能不会下降,而CPU Bound进程性能会不断下降。

经验总结:

  1、对于每一个CPU来说运行队列不要超过2,例如,如果是双核CPU就不要超过4;

  2、如果CPU在满负荷运行,应该符合下列分布,

      a)User Time:65%~70%

      b)System Time:30%~35%

      c)Idle:0%~5%

  3、对于上下文切换要结合CPU使用率来看,如果CPU使用满足上述分布,大量的上下文切换也是可以接受的。

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