20169219linux 内核原理与分析第五周作业

进程调度

1、 进程调度是确保进程能有效工作的一个内核子进程。调度程序是像linux这样的多任务操作系统的基础。最大限度地利用处理器时间的原则是，只要有可以执行的进程，那么就总会有进程正在执行。但是只要系统中可运行的进程的数目比处理器的个数多，就注定某一给定时刻会有一些进程不能执行。

2、 多任务系统可以划分为两类：非抢占式多任务和抢占式多任务。时间片是分配给每个可运行进程的处理器时间段。有效管理时间片能使调度程序从系统全局的角度做出调度决定，这样做还可以避免个别进程独占系统资源。

3、 进程可以分为I/O消耗型和处理器消耗型。前者大部分时间用来提交I/O请求和等待I/O请求不需要长的时间片，后者时间大多用在执行代码上需要长的时间片。调度策略需要在进程响应迅速和最大系统利用率上寻找平衡。

4、 linux采用了两种不同的优先级范围。第一种是nice值，它的范围是从-20到+19，默认值为0；越大的nice值意味着更低的优先级。第二种范围是实时优先级，其值是可配置的，默认情况下它的变化范围是从0到99，越高的实时优先级数值意味着进程优先级越高。任何实时进程的优先级都高于普通进程，也就是说实时优先级和nice优先级处于互不相交的两个范畴。

可通过以下命令查案进程列表

ps-eo state,uid,pid,ppid,rtprio,time,comm

5、 时间片过长会导致系统对交互的响应表现欠佳，让人觉得系统无法并发执行应用程序；时间片太短会明显增大进程切换带来的处理器耗时，因为肯定会有相当一部分系统时间用在进程切换上，而这些进程能够用来运行的时间片却很短。

6、每个调度器都有一个优先级，基础的调度器代码定义在kernel/sched.c文件中，然后按照优先级顺序遍历调度类，决定要执行的进程。

7、 现代进程调度器的两个通用概念：进程优先级、时间片。

内核数据结构

1、链表中的元素都是动态创建并插入的，因为创建时间不同，所以内存中无须占用连续内存区。

2、链表有：单向链表、双向链表、环形单向链表、双向环形链表。

3、如果需要随机访问数据，一般不使用链表。使用链表存放数据的理想情况是，需要遍历所有数据或需要动态加入和删除数据时。

4、四种数据结构：链表、队列、映射、红黑树。

网易云课堂实验

主要了解了CPU内核源码，看了大概的结构。

cd LinuxKernel/
qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

内核启动完成后进入menu程序

执行结果如图



使用gdb跟踪调试内核

后面一个是-s，一个是-S，用这个命令先把内核启动一下，-S表示CPU初始化之前冻结起来，-s是指1234端口上创建了一个gdb-server。

然后就是通过gdb进行调试，首先要编译和加载带有符号表信息的目标文件。

（gdb）file linux-3.18.6/vmlinux

在gdb界面中targe remote之前加载符号表。符号表主要用来存放源程序中的各种有用的信息。包括：变量名、目标地址、类型等。在编译各个阶段需要对这些信息进行访问、增加和更新。

（gdb）target remote:1234

建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

（gdb）break start_kernel

gdb和server之间的关系如图所示（通过1234这个端口建立连接）：

设置断点

下面分析一下代码，了解内核的启动过程

393static noinline void __init_refok rest_init(void)
394{
395	int pid;
396
397	rcu_scheduler_starting();
398	/*
399	 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
400	 * the init task will end up wanting to create kthreads, which, if
401	 * we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
402	 */
403	kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
404	numa_default_policy();
405	pid = kernel_thread(kthreadd, NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
406	rcu_read_lock();
407	kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid, &init_pid_ns);
408	rcu_read_unlock();
409	complete(&kthreadd_done);
410
411	/*
412	 * The boot idle thread must execute schedule()
413	 * at least once to get things moving:
414	 */
415	init_idle_bootup_task(current);
416	schedule_preempt_disabled();
417	/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
418	cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
419}

这里面包含了三个进程idle，kernel_init，kthreadd。

其中idle进程(PID = 0), kernel_init进程(PID = 1)，kthreadd(PID = 2)

kernel_init是所有用户态进程的祖先，kthreadd是所有内核线程的祖先。

三个进程之间的关系

• idle进程由系统自动创建, 运行在内核态；
• kernel_init进程由idle通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后, 加载init程序, 并最终返回到用户空间；
• kthreadd进程由idle通过kernel_thread创建，并始终运行在内核空间, 负责所有内核线程的调度和管理；