进程调度与内核控制：Linux运行队列详解

本文档主要探讨了Linux内核中的进程调度和进程间通信，重点介绍了一个名为`runqueue`的数据结构，它是每个CPU的核心部分，负责管理当前运行、就绪和已终止的任务。以下是详细的内容概要： 1. **进程调度**： 在多进程系统中，操作系统通过调度程序(scheduler)决定哪个进程在特定时刻获得CPU执行权。调度算法如时间片轮转法、优先级调度等用于实现公平性、效率和响应时间等基本要求。 - 时间片轮转法：将CPU时间划分成时间片，按顺序轮流分配给各个进程。时间片长度的选择会影响调度效果。 - 优先级调度：根据进程的重要程度（动态或静态）决定其执行顺序，有助于提高效率。 - 多重队列和最短作业优先：通过设置优先级类来减少进程切换，以及针对批处理作业和实时任务的特殊调度策略。 - Linux进程分类：包括交互进程（如用户界面），批作业进程（CPU密集型），实时进程（有严格时间限制）等。 2. **进程状态转换**： 进程在执行过程中可能经历阻塞态（等待I/O操作完成）、运行态（CPU执行）和就绪态（准备好执行）。进程状态的变化由内核管理和调度。 3. **进程与内核的Preemption**： 在Linux2.4及之前版本，内核进程在非实时环境中不可剥夺，即当进程在内核空间运行时，即使有更高优先级的任务，也无法立即抢占CPU。而在实时操作系统中，进程在内核空间执行时可能会被抢占。 4. **进程运行时间控制**： Linux进程描述符中的time_slice变量用于记录进程的运行时间限制，系统时钟中断会减小该值。当time_slice用完时，进程会被放到活跃队列末尾，触发重新调度。 `runqueue`数据结构的详细说明： - `lock`：用于保护数据结构的互斥访问，确保并发环境下线程安全。 - `nr_running`、`nr_switches`、`expired_timestamp`、`nr_uninterruptible`：统计指标，如运行中的任务数量、系统切换次数、任务过期时间以及非中断任务计数。 - `curr`、`idle`：分别表示当前正在运行的任务和空闲任务。 - `prev_mm`：保存前一个进程使用的内存上下文，用于任务迁移。 - `active`、`expired`：用于存储活跃和已过期的任务数组。 - `arrays[2]`：两个任务数组，可能包含不同的调度策略。 - `prev_nr_running[NR_CPUS]`：记录每个CPU上先前运行的进程数量。 - `migration_thread` 和 `migration_queue`：用于任务迁移的管理。 - `nr_iowait`：表示处于I/O等待状态的进程数量。 理解并管理这些数据结构对于优化系统性能、保证任务公平执行以及处理实时性需求至关重要。Linux内核通过高效的调度机制，实现了在并发环境下的稳定和高效运行。