task_struct 中的调度信息

1 task_struct调度信息

上一节我们说了，task_struct是内核真正的调度对象，代表一个可以被独立执行、阻塞、唤醒和调度的任务。
完整的 task_struct非常庞大，包含一个 task 的各类内核信息。
比如身份信息，内存信息，调度信息等。

调度器拿到一个task后需要根据携带的调度信息进行判断。
其中携带的核心调度信息如下

struct task_struct {
    /* 任务状态 */
    unsigned int __state;

    /* 调度策略 */
    unsigned int policy;

    /* 优先级 */
    int prio;
    int static_prio;
    int normal_prio;
    unsigned int rt_priority;

    /* 调度类 */
    const struct sched_class *sched_class;

    /* 不同调度类使用的调度实体 */
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt;
    struct sched_dl_entity dl;

    /* runqueue状态 */
    int on_rq;

    /* CPU归属和CPU亲和性 */
    const cpumask_t *cpus_ptr;
    cpumask_t cpus_mask;
    int nr_cpus_allowed;

    ...
};

1. policy调度策略

常见的调度策略定义为

#define SCHED_NORMAL    0
#define SCHED_FIFO    1
#define SCHED_RR    2
#define SCHED_BATCH    3
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */
#define SCHED_IDLE    5
#define SCHED_DEADLINE    6

其分类如图

2. 优先级

这几个优先级之前我们讲过，在回顾一下

• static_prio：普通任务的静态基础值，主要来自nice
• rt_priority：实时任务的用户可见实时优先级
• normal_prio：根据policy、nice、rt_priority等计算出的正常内部优先级
• prio：调度器当前真正生效的内部优先级

先看prio内部优先级

#define MAX_RT_PRIO    100
#define MAX_PRIO       (MAX_RT_PRIO + 40)
#define DEFAULT_PRIO   (MAX_RT_PRIO + 20)

其分布如图所示

对于用户空间，看见的就是nice值，范围在-20~19，static_prio尤其转换来。

整个优先级的分布和转换如图所示

3. 调度类

核心字段：

const struct sched_class *sched_class;

就是调度算法的具体操作，怎么调度。决定task怎样入队和出队，如何判断抢占等操作。

4. 调度实体

被调度的具体对象

struct sched_entity *parent;
struct cfs_rq *cfs_rq;
struct cfs_rq *my_q;

整体框架

2 runqueue

之前我们说了，per-CPU都有一个管理就绪任务的运行队列。
虽然叫队列，但他的底层并没有队列那么简单。其核心功能主要有以下几点

1. 保存可运行任务集合
2. 按调度类组织任务
3. 保存当前任务
4. 保存CPU局部调度状态
5. 为选择下一个任务提供选择依据
   其简化模型如下

对应核心代码

struct rq {
    raw_spinlock_t __lock; //rq 自旋锁

    unsigned int nr_running; //计数

    //调度类子队列
    struct cfs_rq cfs;
    struct rt_rq  rt;
    struct dl_rq  dl;

    struct task_struct *curr; //当前运行的任务
    struct task_struct *idle; //idle task
    struct task_struct *stop; //stop task

    //调度时钟
    u64 clock;
    u64 clock_task;

    //调度统计
    unsigned long nr_uninterruptible;
    atomic_t nr_iowait;

    /* load / utilization */
    /* scheduling statistics */
    /* load balance */
    /* task migration */
    /* CPU topology */
    /* uclamp */
    /* NOHZ */
    /* conditionally compiled fields */
};

3 shed_class

调度的核心，就是为每一种调度算法提供统一的回调函数。
其核心结构如下

struct sched_class {
    //入队和出队
    void (*enqueue_task)(struct rq *rq,
                         struct task_struct *p,
                         int flags);

    void (*dequeue_task)(struct rq *rq,
                         struct task_struct *p,
                         int flags);

    //主动让出CPU
    void (*yield_task)(struct rq *rq);

    //抢占检查
    void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq,
                               struct task_struct *p,
                               int flags);

    //选择和切换任务
    struct task_struct *(*pick_next_task)(struct rq *rq);

    void (*put_prev_task)(struct rq *rq,
                          struct task_struct *p);

    void (*set_next_task)(struct rq *rq,
                          struct task_struct *p,
                          bool first);

    //周期性调度
    void (*task_tick)(struct rq *rq,
                      struct task_struct *p,
                      int queued);

    /* SMP选核与迁移操作 */
    /* task创建、退出操作 */
    /* policy/priority改变通知 */
    /* 运行时间更新操作 */
};

就是一张调度操作函数指针表。

具体的实现有

以fair_sched_class为例子，其会在以下绑定上面的回调函数

DEFINE_SCHED_CLASS(fair) = {

  .enqueue_task		= enqueue_task_fair,
  .dequeue_task		= dequeue_task_fair,
  .yield_task		= yield_task_fair,
  .yield_to_task		= yield_to_task_fair,

  .wakeup_preempt		= check_preempt_wakeup_fair,

  .pick_next_task		= __pick_next_task_fair,
  .put_prev_task		= put_prev_task_fair,
  .set_next_task          = set_next_task_fair,
  ...
}