張 科, 楊 斌

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610031)

在Linux2.6.18的內(nèi)核中,調(diào)度程序采用了動態(tài)優(yōu)先級、O(1)調(diào)度算法、時間片粒度、內(nèi)核搶占點和進(jìn)程分類一系列提高內(nèi)核運行效率的算法和策略,使得系統(tǒng)的運行更加流暢和高效。內(nèi)核將進(jìn)程分為實時進(jìn)程和非實時進(jìn)程,在Linux操作系統(tǒng)下運行的進(jìn)程默認(rèn)情況下都是非實時進(jìn)程,非實時進(jìn)程又分為交互式進(jìn)程和批處理進(jìn)程。

交互式進(jìn)程的定義：進(jìn)程需要和用戶進(jìn)行交互,花大量的時間等待鍵盤輸入和鼠標(biāo)操作,一旦進(jìn)程接受到輸入,必須被盡快喚醒。通常來說,平均延遲時間是在50-150ms之間[1]。

批處理進(jìn)程的定義：進(jìn)程在系統(tǒng)后臺運行,不需要用戶的干預(yù),不需要被系統(tǒng)盡快響應(yīng),經(jīng)常被調(diào)度程序降低優(yōu)先級。如程序編譯器,數(shù)據(jù)庫引擎和科學(xué)計算[1]。

被內(nèi)核認(rèn)定為交互式進(jìn)程的好處：(1)可以提升進(jìn)程的動態(tài)優(yōu)先級;(2)當(dāng)進(jìn)程的時間片使用完畢后,調(diào)度程序仍然將該進(jìn)程放到active運行隊列末尾,而不是放到expired隊列中。這樣就可以保證交互式進(jìn)程如果處在就緒隊列中,能夠有很高的優(yōu)先級先被執(zhí)行,反映在用戶層面即有很快的響應(yīng)速度。

1 與交互式進(jìn)程識別相關(guān)的變量和函數(shù)

1.1 與交互式進(jìn)程判別相關(guān)的變量

與交互式進(jìn)程判別相關(guān)的變量有：prio：動態(tài)優(yōu)先級;static-prio：靜態(tài)優(yōu)先級;sleep-avg：平均睡眠時間;bonus：紅利;state：進(jìn)程狀態(tài);time-slice：時間片;sleep-type：睡眠類型;sleep-time：進(jìn)程阻塞時的睡眠時間;runtime：進(jìn)程占用CPU的時間。

1.2 與交互式進(jìn)程判別相關(guān)的函數(shù)

與交互式進(jìn)程判別相關(guān)的函數(shù)有：

(1)do-fork：創(chuàng)建一個新進(jìn)程,其 prio、static-prio、sleep-avg都延續(xù)父進(jìn)程的值,其 time-slice為父進(jìn)程time-slice的一半。進(jìn)程創(chuàng)建完畢后被放入active運行隊列末尾。

(2)每當(dāng)系統(tǒng)時鐘的一個tick產(chǎn)生時,調(diào)用scheduler-tick()函數(shù),將time-slice減1,如果time-slice等于0時,調(diào)用effective-prio函數(shù)重新計算動態(tài)優(yōu)先級(見動態(tài)優(yōu)先級的計算公式),調(diào)用task-timeslice重新計算時間片,然后調(diào)用TASK-INTERACTIVE來判斷進(jìn)程是否是交互式進(jìn)程(見交互式進(jìn)程的判別公式),如果是則重新添加到active隊列末尾,否則將進(jìn)程添加到expired隊列末尾。

(3)schedule函數(shù)計算當(dāng)前進(jìn)程的run-time,即當(dāng)前進(jìn)程這次占用CPU的時間,然后計算sleep-avg(見平均睡眠時間的計算方法),接著將當(dāng)前進(jìn)程切換出CPU,在進(jìn)程優(yōu)先級位圖中查找優(yōu)先級最高的進(jìn)程,判斷該進(jìn)程上次睡眠是否是交互式睡眠,如果是則重新計算優(yōu)先級recalc-task-prio,然后調(diào)入CPU運行。

(4)當(dāng)進(jìn)程由于等待資源而進(jìn)入阻塞隊列,當(dāng)資源滿足的時候,系統(tǒng)通過中斷或者信號處理程序調(diào)用trywake-up函數(shù)將該阻塞的進(jìn)程放入運行隊列,在放入運行隊列之前,要對該進(jìn)程計算本次睡眠時間,根據(jù)本次睡眠時間重新計算該進(jìn)程的sleep-avg(見平均睡眠時間的計算方法)和動態(tài)優(yōu)先級。然后根據(jù)計算出的動態(tài)優(yōu)先級決定進(jìn)入active中對應(yīng)的優(yōu)先級隊列。

計算進(jìn)程是否是交互式進(jìn)程,以及進(jìn)程能夠進(jìn)入active中的哪個級別的優(yōu)先級隊列和這4種情況密切相關(guān)。下面具體分析各個參數(shù)的計算方法。

2 交互式進(jìn)程同批處理進(jìn)程的區(qū)分算法

2.1 動態(tài)優(yōu)先級的計算公式

式(2)中sleep-avg和bouus的關(guān)系如圖1所示。其中MAX-BONUS=10;MAX-SLEEP-AVG=1000ms該公式的含義為：將平均睡眠時間分為10個等級,平均睡眠時間越長,紅利就越高,計算出的動態(tài)優(yōu)先級也就越高。

圖1 sleep-avg和bonus的關(guān)系

2.2 交互式進(jìn)程的判別公式

當(dāng)進(jìn)程的時間片使用完畢后,判斷如果進(jìn)程是交互式進(jìn)程,則將進(jìn)程添加到active隊列末尾。

其中INTERACT IVE-DELTA為固定值2。

由式(1)、(3)可得：

由式(2)、(4)、(5)得出：

即當(dāng)滿足式(6)的情況下時,那么進(jìn)程就是交互式進(jìn)程。其中static-prio和sleep-avg的關(guān)系如圖2所示。

由式(5)可見static-prio[100,139]被分為 10個等級,sleep-avg也被劃分為10個等級進(jìn)行對應(yīng)處理。

可見當(dāng)static-prio在[136,139]之間時,sleep-avg的最大值為1000ms,式(5)不能成立,故當(dāng)靜態(tài)優(yōu)先級在[136,139]之間時,進(jìn)程永遠(yuǎn)不可能被識別為交互式進(jìn)程。

2.3 平均睡眠時間的計算方法

(1)進(jìn)程從阻塞到運行隊列時計算的sleep-avg

由于進(jìn)程等待資源而產(chǎn)生阻塞,進(jìn)入相應(yīng)的阻塞隊列。隨著被等待的資源釋放,進(jìn)程被喚醒,重新計算平均睡眠時間和動態(tài)優(yōu)先級,重新設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)和sleep-type,然后將該進(jìn)程放入相應(yīng)的運行隊列,等待調(diào)度程序調(diào)度。

在內(nèi)核計算平均優(yōu)先級的方法如下：

Linux內(nèi)核中存在一個交互式睡眠的時間表INTERACTIVE-SLEEP(p),公式為：

圖2 static-prio和sleep-avg的關(guān)系

化簡后：INTERACTIVE-SLEEP(p)=25*static-prio-2201。其中INTERACTIVE-SLEEP和static-prio的關(guān)系如圖3所示。

如果此次的睡眠時間(即調(diào)度程序?qū)⒃撨M(jìn)程切換出CPU到該進(jìn)程重新進(jìn)入就緒隊列中的時間)大于INTERACTIVESLEEP(p),并且 sleep-avg ＜ INTERACTIVE-SLEEP(p),將sleep-avg=INTERACTIVE-SLEEP(p)

當(dāng)進(jìn)程因為讀取硬盤資源而阻塞的時候,其阻塞狀態(tài)為TASK-UNINTERRUPTIBLE,當(dāng)進(jìn)程被喚醒的時候,sleeptype設(shè)置為SLEEP-NONINTERACTIVE。

當(dāng)sleep-type為SLEEP-NONINTERACTIVE狀態(tài)的時候,如果平均睡眠時間超過閾值,或此次睡眠時間和平均睡眠時間之和超過閾值的時候,平均睡眠時間就被置為閾值。但不超過平均睡眠時間的最大值ls。

(2)從CPU中切換下來時,平均睡眠時間的計算在進(jìn)程被調(diào)度程序切換出CPU時：

其中CURRENT-BONUS=sleep-avg*MAX-BONUS/MAX-SLEEP-AVG

可見如果平均睡眠時間越高(即該進(jìn)程越有可能是交互式進(jìn)程),其運行時間減少得越快,sleep-avg減少得也就越慢,這樣處理的目的是保證進(jìn)程不會從交互式進(jìn)程和批處理進(jìn)程之間頻繁切換。

這樣 ：sleep-avg=sleep-avg+sleep-time-run-time。

圖3 INTERACTIVE-SLEEP和static-prio的關(guān)系

3 測試?yán)淘O(shè)計

3.1 測試程序功能

(1)在內(nèi)核中調(diào)度階段、進(jìn)程喚醒階段和時間片使用完畢階段加入打印信息

(2)使用驅(qū)動程序打開內(nèi)核中對應(yīng)pid的打印信息

(3)用戶測試進(jìn)程完成的功能

打開驅(qū)動,修改內(nèi)核變量,使內(nèi)核只打印該進(jìn)程的內(nèi)核信息。

遍歷硬盤上某個目錄下的所有文件,并讀取每個文件內(nèi)容,然后將每個文件再寫入磁盤,遍歷完所有文件后退出程序。目的：模擬編譯程序的執(zhí)行過程,判別該進(jìn)程最終是否被內(nèi)核識別出為非交互式進(jìn)程和識別的過程。

當(dāng)進(jìn)程在shell中執(zhí)行時,shell為其父進(jìn)程,該進(jìn)程被fork時,sleep-avg,static-prio,prio這些都從父進(jìn)程中繼承下來,即與shell的參數(shù)相同,其他參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 未修改靜態(tài)優(yōu)先級時進(jìn)程的測試結(jié)果

測試2：

當(dāng)進(jìn)程在shell中執(zhí)行時,shell為其父進(jìn)程,該進(jìn)程被fork時,采用setpriority函數(shù)修改進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級為136,結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)定靜態(tài)優(yōu)先級是136的測試結(jié)果

4 總結(jié)

根據(jù)測試結(jié)果分析,由于進(jìn)程頻繁訪問硬盤,從硬盤獲取數(shù)據(jù),不斷造成進(jìn)程阻塞,處于TASK-UNINTERRUPTIBLE阻塞狀態(tài),當(dāng)磁盤控制器將讀取的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中時,產(chǎn)生中斷,調(diào)用try-wake-up函數(shù)喚醒進(jìn)程。由于訪問硬盤的時間比運行時間長,造成sleep-avg的值不斷增大,最終被判定為交互式進(jìn)程。根據(jù)以上的分析：

(1)當(dāng)進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級在[100,135]時,2.6.18內(nèi)核并不能真正區(qū)分交互式進(jìn)程和批處理進(jìn)程。

(2)當(dāng)進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級在[136,139]時,不論進(jìn)程是否真的是交互式進(jìn)程,內(nèi)核一律將之識別為非交互式進(jìn)程處理。

由于2.6.18內(nèi)核的對交互式進(jìn)程判別的不正確。當(dāng)在編寫頻繁訪問硬盤數(shù)據(jù)的程序時,可以采用setpriority函數(shù)適當(dāng)?shù)亟档驮撨M(jìn)程的優(yōu)先級來保證系統(tǒng)對真正需要交互的進(jìn)程的及時響應(yīng)。

如果不降低該進(jìn)程的優(yōu)先級,將會造成比該進(jìn)程優(yōu)先級低的真正的交互式進(jìn)程無法得到運行而呈現(xiàn)死機(jī)的狀態(tài)。

[1]Daniel P.Bovet,Marco Cesati.Understanding the Linux Kernel[M].O'Reilly,2005.

[2]毛德操,胡希明.Linux內(nèi)核源代碼情景分析[M].浙江：浙江大學(xué)出版社,2001.

[3]趙炯.Linux內(nèi)核完全剖析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.