Linux System Programming --Chapter Six

这一章的题目是--高级进程管理，这篇文章将以书中所叙的顺序进行讲解

1、让出处理器

Linux提供一个系统调用运行进程主动让出执行权：sched_yield。进程运行的好好的，为什么需要这个函数呢？有一种情况是用户空间线程的锁定。如果一个线程试图取得另一个线程所持有的锁，则新的线程应该让出处理器知道该锁变为可用。用户空间锁没有内核的支持，这是一个最间单、最有效率的做法。但是现在Linux线程实现引入一个使用futexes的优化解决方案。

　　另一个情况是在有处理器密集型程序可用周期性调用sched_yield，试图将该进程对系统的冲击减到最小。不管怎么说，如何调度程序应该是系统的事情，而不是进程自己去管。eg：

int main(){
    int ret, i;
    ret = sched_yield();
    if(ret == -1){
    printf("调用sched_yield失败!\n");
    }
    return 0;
}

那该调用内核是如何实现的？2.6以前的版本sched_yield所造成的影响非常小，如果存在另一个可以运行的进程，内核就切换到该进程，把进行调用的进程放在可运行进程列表的结尾处。短期内内核会对该进程进行重新调度。这样的话可能出现“乒乓球”现象，也就是两个程序来回运行，直到他们都运行结束。2.6版本中做了一些改变：

1. 如果进程是RR，把它放到可运行进程结尾，返回。
2. 否则，把它从可运行进程列表移除，放到到期进程列表，这样在其他可运行进程时间片用完之前不会再运行该进程。
3. 从可执行进程列表中找到另一个要执行的进程。

2、进程的优先级

　　看过CFS中会看到进程的nice value会决定进程会运行多长时间，或者说是占用的百分比。可以通过系统调用nice来设置、获取进程的nice value。该值的范围是-20～19，越低的值越高的优先级（这个在计算虚拟时间的时候放在分母上），实时进程应该是负数，eg：

int main(){
    int ret, i;
    ret = nice(0);
    printf("当前进程的nice value：%d\n", ret);
    ret = nice(10);
    printf("当前进程的nice value：%d\n", ret);
    return 0;
}

因为ret本来就可以是-1，那么在判断是否系统调用失败的时候就要综合ret和errno。还有两个系统调用可以更灵活地设置，getpriority可以获得进程组、用户的任何进程中优先级最高的。setpriority将所指定的所有进程优先级设置为prio，eg：

int main(){
    int ret, i;
    ret = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);
    printf("nice value:%d\n", ret);
    ret = setpriority(PRIO_PROCESS, 0, 10);
    ret = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);
    printf("nice value:%d\n", ret);
    return 0;
}

进程有在处理器上执行的优先级，也有传输数据的优先级：I/O优先级。linux有额外的两个系统调用可用显示设置和取得I/O nice value，但是尚未导出：

int ioprio_get(int which, int who);
int ioprio_set(int which, int who, int ioprio);

3、处理器亲和性
　　Linux支持具有多个处理器的单一系统。在SMP上，系统要决定每个处理器上要运行那些程序，这里有两项挑战：

1. 调度程序必须想办法充分利用所有的处理器。
2. 切换程序运行的处理器是需要代价的。

　　进程会继承父进程的处理器亲和性，Linux提供两个系统调用用于获取和设定“硬亲和性”。eg：

int main(){
    int ret, i;
    cpu_set_t set;

    CPU_ZERO(&set);
    ret = sched_getaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &set);
    if(ret == -1)
    printf("调用失败!\n");
    for(i = 0; i < 10; i++){
    int cpu = CPU_ISSET(i, &set);
    printf("cpu=%i is %s\n", i, cpu?"set":"unset");
    }

    CPU_ZERO(&set);
    CPU_SET(0, &set);
    CPU_CLR(1, &set);
    ret = sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &set);
    if(ret == -1)
    printf("调用失败!\n");
    for(i = 0; i < 10; i++){
    int cpu = CPU_ISSET(i, &set);
    printf("cpu=%i is %s\n", i, cpu?"set":"unset");
    }
    return 0;
}

4、Linux的调度策略与优先级
　　关于Linux系统中对进程的几种调度方法和他们的区别就不在这里说了，这里关注的是如何获取、设置这些值。可以使用sched_getscheduler来获取进程的调度策略，eg：

int main(){
    int ret, i;
    struct sched_param sp;
    sp.sched_priority = 1;
    ret = sched_setscheduler(0, SCHED_RR, &sp);
    if(ret == -1)
    printf("sched_setscheduler failed.\n");
    if(errno == EPERM)
    printf("Process don't the ability.\n");

    ret = sched_getscheduler(0);
    switch(ret){
    case SCHED_OTHER:
    printf("Policy is normal.\n");
    break;
    case SCHED_RR:
    printf("Policy is round-robin.\n");
    break;
    case SCHED_FIFO:
    printf("Policy is first-in, first-out.\n");
    break;
    case -1:
    printf("sched_getscheduler failed.\n");
    break;
    default:
    printf("Unknow policy\n");
    }
    return 0;
}

sched_getparam和sched_setparam接口可用于取得、设定一个已经设定好的策略，这里不只是返回一个策略的ID，eg：

int main(){
    int ret, i;
    struct sched_param sp;

    sp.sched_priority = 1;
    ret = sched_setparam(0, &sp);
    if(ret == -1)
    printf("sched_setparam error.\n");

    ret = sched_getparam(0, &sp);
    if(ret == -1)
    printf("sched_getparam error.\n");

    printf("our priority is %d.\n", sp.sched_priority);
    return 0;
}

Linux提供两个用于取得有效优先值的范围的系统调用，分别返回最大值、最小值，eg：

int main(){
    int ret, i;
    struct sched_param sp;

    ret = sched_get_priority_min(SCHED_RR);
    if(ret == -1)
    printf("sched_get_priority_min error.\n");
    printf("The min nice value is %d.\n", ret);

    ret = sched_get_priority_max(SCHED_RR);
    if(ret == -1)
    printf("sched_get_priority_max error.\n");
    printf("The mmax nice value is %d.\n", ret);
    return 0;
}

关于时间片，这个概念可能在Linux中和传统的在操作系统的课程中学到的还是有很大的区别的，如果感兴趣的化可以看看CFS里面的。通过sched_rr_get_interval可以取到分配给pid的时间片的长度，eg：

int main(){
    int ret, i;
    struct timespec tp;
    ret = sched_rr_get_interval(0, &tp);
    if(ret == -1)
    printf("sched_rr_get_interval error.\n");
    printf("The time is %ds:%ldns.\n", (int)tp.tv_sec, tp.tv_nsec);
    return 0;
}

5、实时进程的预防措施
　　由于实时进程的本质，开发者在开发和调试此类程序时应该谨慎行事，如果一个实时进程突然发脾气，系统的反应会突然变慢。任何一个CPU密集型循环在一个实时程序中会继续无止境地运行下去，只要没有优先级更高实时进程变成可运行的。因此设计实时程序的时候要谨慎，这类程序至高无上，可用轻易托跨整个系统，下面是一些要决与注意事项：

1. 因为实时进程会好用系统上一切资源，小心不要让系统其他进程等不到处理时间。
2. 循环可能会一直运行到结束。
3. 小心忙碌等待，也就是实时进程等待一个优先级低的进程所占有的资源。
4. 开发一个实时进程的时候，让一个终端保持开启状态，以更高的优先级来运行该实时进程，发生紧急情况终端机依然会有反应，允许你终止失控的实时进程。
5. 使用chrt设置、取得实时属性。

6、资源限制

　　Linux对进程加上了若干资源限制，这些限制是一个进程所能耗用的内核资源的上限。限制的类型如下：

1. RLIMIT_AS:地址空间上限。
2. RLIMIT_CORE:core文件大小上限。
3. RLIMIT_CPU:可耗用CPU时间上限。
4. RLIMIT_DATA:数据段与堆的上限。
5. RLIMIT_FSIZE:所能创建文件的大小上限。
6. RLIMIT_LOCKS:文件锁数目上限。
7. RLIMIT_MEMLOCK:不具备CAP_SYS_IPC能力的进程最多将多少个字节锁进内存。
8. RLIMIT_MSGQUEUE:可以在消息队列中分配多少字节。
9. RLIMIT_NICE:最多可以将自己的友善值调多低。
10. RLIMIT_NOFILE:文件描述符数目的上限。
11. RLIMIT_NPROC:用户在系统上能运行进程数目上限。
12. RLIMIT_RSS:内存中页面的数目的上线。
13. RLIMIT_RTPRIO:不具备CAP_SYS_NICE能力进程所能请求的实时优先级的上限。
14. RLIMIT_SIGPENDING:在队列中信号量的上限，Linux特有的限制。
15. RLIMIT_STACK:堆栈大小的上限。

int main(){
    int ret, i;
    struct rlimit rlim;

    rlim.rlim_cur = 32*1024*1024;
    rlim.rlim_max = RLIM_INFINITY;
    ret = setrlimit(RLIMIT_CORE, &rlim);

    ret = getrlimit(RLIMIT_CORE, &rlim);
    if(ret == -1)
    printf("getrlimit error.\n");
    printf("RLIMIT_CORE limits: soft=%ld hard=%ld\n", rlim.rlim_cur, rlim.rlim_max);

    return 0;
}