偶遇奇文！
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Written by manio (manioster{at)gmail.com)
Linux內核是一個無比複雜的系統，要想看清大致的脈絡也非易事。其實，可以把運行中的Linux想像成一個人類的社會，當中的進程就是社會中的人。人有生老病死，進程有創建、異常、終止。人有各種各樣的財產，進程有對應的地址空間、設備等等。人被各種各樣的東西限制着，被人管着，進程也是。內核無比巨大，從哪着手？我想，從進程的視角來看是個好辦法。並且，在學習Linux內核的同時，類比人類社會來看，會有更深刻的印象，理解得更透徹。
本來也應該從進程的創建開始寫的，但是最近在看調度的相關論文，就又把Linux調度的東西看了一下。所以，就先寫調度相關的東西吧。
首先介紹與進程所在環境對應的人類場景：
這是一個公司，公司裏有很多人（進程），每個人都有其對應的職稱（優先級）。這個公司很奇怪，只有一張辦公桌（CPU），在任意時刻，只能有一個人在工作(TASK_RUNNING正在運行狀態)。其他人呢，要麼在休息室時短暫地休息（對應TASK_RUNNING就緒狀態），要麼就在寢室Sleep(對應TASK_INTERRUPTABLE或TASK_UNINTERRUPTABLE)，要麼就是死人了，在停屍間（TASK_ZOMBIE）。是的，這是真的，這個公司就是個血汗工廠，幹活累死了，就直接丟進停屍間，慘絕人寰！
以下是此公司的平面圖：
圖解：“推門”是單向的：比如連接工作室和太平間的是推門，職員只能從工作室走到太平間，不能從太平間走到工作室（這太嚇人了）。“凹槽門”是雙向的：比如連接工作室和休息室的門是凹槽門，職員可以走來走去。
時間片(time slice)：這個公司的工資特別高，按工作的小時數計算。工作者得錢，不工作者不得錢。所以，所有的人都特想去辦公桌那裏工作，爭着搶着要去。爲了讓大家都有機會去工作（避免有的人沒錢拿，餓死，i.e. starve to death），所以公司出了條規定，每個人每次工作的時間不能超過公司分給自己的時間片（time slice）。時間片的大小由此人的職稱決定。
職稱（也就是內核中的priority）：職稱有兩種，一種是靜態職稱（static priority），一種是動態職稱（dynamic priority）。靜態職稱是先天的，由此人的老爸決定（富二代有先天優勢！）。動態優先級是看在公司裏的工作表現的。職稱是很重要的東西，職稱越高，你到辦公桌上賺錢的機會越大。
默認時間片長點好還是短點好？
自然是不長不短好（世界上的事情都是這樣）。如果太短了，比如說某職員時間片是1分鐘（對應的Linux裏的時間片應該差不多是0.1ms吧，可能還得少點），這個人在辦公桌前屁股沒坐熱就要走了，從起身到回到休息室，再到下一個人起身走到辦公桌前坐下，這也得要一分鐘。如果這樣的話，這公司將有一半的時間花在走路上。這樣搞是不行的，在資本主義社會，大家都要努力搞高生產率。
那是不是時間片長了就好？也不是。比如時間片是一個小時，當兩個客戶（對應Linux中的兩個用戶）同時要和此公司展開業務（對應Linux中的啓動進程），有兩個職員會分別處理這兩個業務。A職員一上去就佔着辦公室一個小時，B職員在這一個小時結束前沒法子處理他的客戶的業務，所以B職員的客戶就得在寒風中等一個小時！資本主義社會裏的公司是不能讓他們的財神爺不高興的。所以，還是不長不短的好。
回到真實的Linux內核中:很多人認爲時間片過長會導致程序的響應（比如字處理程序的I/O響應）變慢，因爲要等時間片用完才能處理。其實不然，字處理程序等交互性強的程序,他們的優先級高，可以搶佔當前正在運行的進程，從而得到執行。在公司裏，就比如B職員的職稱高，他可以把A職員從辦公桌上踢走。事實上，從後面對動態優先級的討論我們可以看到，要是A職員一直霸佔着辦公桌不走，他/她的動態職稱會變低的，結果是，在休息室裏的其他職員的職稱就自然而然地可能比A高了。
職員目錄(Process list)：公司有個目錄，在這個目錄中，列出了所有公司的職員。這對應Linux裏的Process List，裏面存有所有進程的信息。
下面以Mr. P的經歷爲例說明
Personal History Statement of Mr. Process （Mr. P in short）
出生
這是世界上最怪異的公司，職員都是單性的，都是男的。並且不要交配，自己調用系統調用fork()，就可以生了。生出來的小孩子也都是男的。
在這裏爲了問題的簡化，就只討論與調度的關係比較緊密的內容。
圖：詳細的公司平面圖
如上圖所示，在休息室裏其實還有兩個沙發。一個沙發叫做活動隊列（往後我們叫它活動沙發吧），一個沙發叫做過期隊列（往後我們叫它過期沙發）。坐在活動沙發上的職員都還有時間片沒有用完，坐在過期沙發上的職員的時間片剛剛被用完了（但他們手上都拿着新分配到的時間片，這個是2.5版內核新引入的O(1)調度，後面再講）。
Mr. P的父親在辦公桌旁邊工作的時候，突然fork()了一下，就生出了Mr.P。一出生，Mr. P就擁有和父親一樣的靜態職稱（static priority）。他一出生就坐在了活動沙發上，拿走了父親一半的時間片。比如生MR. P之前，MR. P的父親有10ms的時間片，MR.P出生後，他父親有5ms，Mr. P有5ms。這樣的機制是爲了防止有人以生子來搶奪時間片：試想，有一人，自己有10ms的時間片，他一直生啊生，生了100個孩子，那麼這個程序就有了10+10*100ms的時間片了。然後他的孩子斷續生啊生，那麼有可能系統中絕大部分的時間片都是他家的了，那他的街坊鄰居還要不要活啊，沒時間片等於不能做事，等於沒工資，等於沒食物，等於餓死。
另外，不幸的是，即使是在發達的資本主義社會，孩子也是有可能夭折的（由於各種原因，在第一次到辦公桌上工作之前就死掉了）。在這種情況下，公司會把孩子沒用的時間片還給他父親。多麼人性化的公司…
開始工作
像其他所有孩子一樣，Mr. P一生下來就能工作了，他坐在活動沙發上等着做事。他人事部的同事Miss Schedule (以下簡稱Miss S)會在每個tick(內核的時間單位，時間很短)結束時檢查一下以下兩種情況有沒有發生：
- 在辦公桌前工作的那個職員是不是已經用完自己的時間片了。
- 是不是有更高動態職稱（dynamic priority）的職員在活動沙發上等着。
其中一種情況成立，這個在辦公桌前工作的那個職員就要被趕出來，換在活動沙發上坐着的動態職稱最高的職員進去工作。
假設經過一段時間後，沒有人的動態職稱比Mr. P高了。在一個時間tick結束時，Miss S到休息室檢查大家當前的職稱。他能輕鬆地找到動態職稱最高的職員(sched_find_first)，因爲職員們都是按動態職稱來坐的（在活動沙發上），動態職稱相同的職員坐在一起（參考struct prio_array）。Miss S只要按順序找下去，第一個在沙發上找到的職員就是職稱最高的。當Miss S用上面的方法發現Mr. P當前的動態職稱是最高的時，在辦公桌前工作的是職員C，Miss S把C從辦公桌前拉到休息室。如果此時C的時間片已經用完了，他就會被安排坐在過期沙發上（這也就是expired的含義）；如果此時C的時間片沒有用完，他就會被安排坐在活動沙發上。C被拉到休息室時，他的工作用具，筆啊紙啊什麼的，都要從辦公桌上拿走（這是關於進程上下文切換的問題）。C走了之後，Mr. P帶着他的東西到辦公桌前坐下，整理好辦工用品（進程上下文切換）。好的，Mr. P可以開始工作了。
評定動態職稱
公司裏的兩類人：
交際花（I/O消耗型進程）：這類人常常與外部的客戶打交道，而客戶的反應總是不怎麼快。所以，交際花常常要等客戶做出反應。公司爲了不讓交際花在等客戶反應的時候也佔用着辦公桌，所以，當交際花要等待客戶的響應時，他就會被移到寢室去睡覺(Sleep)。
工作狂（處理器消耗型）：這類人就是傳說中的苦幹王，很少和外界打交道，就知道在辦工桌上做事。這種工作狂給公司造成一些困擾，如果他們老佔着辦公桌，交際花就沒法做事了。要知道，一個公司還是需要人去跑跑業務的。
公司有一套機制，這一套機制能很好的區分這兩類人，並且給他們評定職稱。判斷的標準就是他們的平均睡眠時間（average sleep time）。睡眠時間包括在寢室裏的時間（TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE）和在休息室時等待的時間。但平均睡眠時間的計算並不是加和再求平均那麼簡單。在TASK_INT和TASK_UNINT兩種狀態下，平均睡眠時間的增長情況是不一樣的。在運行的時間，平均睡眠時間是在減少的。具體的平均睡眠時間的算法在recalc_task_prio()中。
當一個職員常常睡覺，公司就知道這人是交際花了，因爲他常常因爲等客戶的響應而睡覺。當一個職員很少睡覺，公司就知道這人是個工作狂了，因爲他很少因爲等客戶的響應而睡覺。
現在我們回來討論Mr. P，假設Mr. P在工作的時候要等待一個客戶給數據給他(比如說鍵盤數據)，他就把自己的加入一個等待隊列裏，將自己設爲TASK_INT，這樣他就進入了寢室裏。Mr. P在那裏苦苦地等待他要的數據到來。終於，客戶敲下了鍵盤，給出了數據。然後鍵盤事件的管理者調用wake_up()函數，將Mr. P喚醒。如果Mr. P的動態職稱高於當前正在工作的職員的動態職稱，那麼Mr. P就會搶掉這個職員的辦公桌。如果不高於的話，Mr. P就只是先到休息室裏坐着。我們假設Mr. P的動態職稱很高，所以，現在Mr. P又搶到了辦公桌。
O(1)調度
又過了一段時間，Mr. P的時間片用完了，該離開了。這時他該被Miss S帶到過期沙發上了，在從辦公桌走到過期沙發的路上，Miss S會幫他重新算時間片（依照動態職稱來決定時間片的長短）。事實上，每個職員被帶到過期沙發上坐着的時候，Miss S都會幫他算好時間片。這樣，過期沙發上的所有職員手中都拿着時間片。這樣做的好處是，當活動沙發空了的時間，只要把活動沙發和過期沙發上貼着的“活動沙發”和“過期沙發”的標籤互換一下，原來的過期沙發就變成了活動沙發，原來的活動沙發就變成了過期沙發。這樣，Miss S就又可以從活動沙發上叫人去工作了。而這個“互換標籤”的動作的時間複雜度是O(1)。這就是2.5版內核所引入的O(1)調度。
試想一下沒有這個O(1)調試之前是什麼情況：每次所有進程的時間片都用完時，要重新計算所有TASK_RUNNING狀態的進程的時間片。當一個系統中只有幾個進程的情況還好，但是對於有成千上萬個進程的大型系統，這是相關耗時的。
對交際花的優惠政策
在一個公司來說，交際花是非常重要的，他們的表現直接關係到客戶的滿意度和公司的形象。所以，Linux公司有一些專門針對交際花的優惠政策。
假設Mr. P就是一個十足的交際花：上班打扮得花枝招展（雖然是個男的），見人說人話見鬼說鬼話，關鍵是，他有一些客戶特別愛和他把交道。當Mr. P用完一個時間片的時候，照常理，他是應該被Miss S帶到過期沙發上去等待下一次工作的。但這樣的等待有可能太久了－要等到所有活動沙發上的職員都用完時間片。所以，Miss S爲了客戶的滿意度（如果等太久，客戶是不滿意的），就在重新計算Mr. P的時間片之後，讓他留在了活動沙發上。這樣，Mr. P就能更快地處理客戶的IO事件。
這看起來是對交際花的特權，其實這是爲了公司的長遠利益着想。如果客戶的需求得不到及時的滿足，客戶不滿意，就不會有人用這公司的產品了，即使工作狂們的工作做得很好。
公司裏的超級特權階級－小霸王(real-time process)
交際花是有一些特權，但權利再大也大不過小霸王。公司有時會有一些時間很緊的項目要做，這些項目有deadline。爲了能完成這些重要的項目，公司裏發展了一種特權階級，就是小霸王。他們的職稱高於其他所有普通員工，除非他們完成了自己的工作，否則其他職工不能去工作。
這些小霸王的工作方式有兩種：
FIFO(First In First Out)：當一個小霸王完成自己工作的時間，其他小霸王才能去工作。但是當有職稱更高的小霸王到來時，職稱更高的小霸王能搶佔當前的小霸王的辦公桌。
RR(Route Robin)：相同優先級的小霸王轉着用辦公桌，每人用一段時間。
總結：
在這篇文章裏，以Mr. P的工作經歷來說明了Linux調度的一些比較重要的機制。介紹了IO消耗型進程和處理器消耗型的進程，O(1)調度等等。這些是比較大的方面，當大的方面理解了之後，那些世界頂尖高手寫的源碼也就更容易看懂一些了。
