任務(wù)調(diào)度與上下文切換

1． 任務(wù)調(diào)度概述：

任務(wù)調(diào)度（schedulers）是內(nèi)核的主要職責(zé)，實(shí)際上它就是一個(gè)法官，決定當(dāng)前由哪個(gè)任務(wù)占用CPU，多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核都是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的，每個(gè)任務(wù)根據(jù)其重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)。基于此算法，CPU總是讓處于就緒而且優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)優(yōu)先運(yùn)行，然而何時(shí)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠得到CPU使用權(quán)，由內(nèi)核的類型而定。基于優(yōu)先級(jí)的內(nèi)核有兩種：

不可搶占型和搶占型。

1) 不可搶占型內(nèi)核：

不可搶占型內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權(quán)，其間不能被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占。它的特點(diǎn)是：

• A. 由于不需要在中斷返回進(jìn)行任務(wù)切換，所以中斷響應(yīng)快。
• B. 在任務(wù)級(jí)中可以調(diào)用不可重入函數(shù)而不必?fù)?dān)心造成數(shù)據(jù)破壞。
• C. 幾乎不需要信號(hào)量來保護(hù)共享數(shù)據(jù)，也就是說，在任務(wù)運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)是獨(dú)享的。

但它的最大缺點(diǎn)是：響應(yīng)時(shí)間不確定，當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒后，不知道什么時(shí)候才能得到執(zhí)行，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是致命的缺陷。所以不可搶占型內(nèi)核主要用于前后臺(tái)系統(tǒng)中。

2) 搶占型內(nèi)核：

在嵌入式系統(tǒng)中，進(jìn)程（任務(wù)）都是搶占型的，通過給每個(gè)進(jìn)程（任務(wù)）設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)系統(tǒng)中有優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程（任務(wù)）的優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程（任務(wù)）時(shí)，當(dāng)前的進(jìn)程（任務(wù)）執(zhí)行被中斷，并調(diào)用調(diào)度程序選擇優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程（任務(wù)）運(yùn)行。利用搶占式內(nèi)核，可以保證高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程（任務(wù)）被優(yōu)先執(zhí)行，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

2． 任務(wù)調(diào)度：

在多任務(wù)系統(tǒng)中，都會(huì)提供一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)來進(jìn)行進(jìn)程（任務(wù)）間切換，綜合來說，他們有兩種進(jìn)程（任務(wù)）切換方式：

1) 由進(jìn)程（任務(wù)）本身直接調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程（任務(wù)）切換：

在當(dāng)前進(jìn)程（任務(wù)）因?yàn)椴荒塬@得必須的資源而立即被堵塞時(shí)，就由進(jìn)程（任務(wù)）本身直接調(diào)用進(jìn)程（任務(wù)）切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程（任務(wù)）間調(diào)度。 在Linux中可以直接調(diào)用schedule()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 在UCos中，通過調(diào)用OSSched（）來完成。

2) 延遲調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程（任務(wù)）切換：

此方式是把當(dāng)前進(jìn)程（任務(wù)）設(shè)置一調(diào)度標(biāo)志而以延遲方式調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程（任務(wù)）切換。 在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復(fù)用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行之前，檢查這一調(diào)度標(biāo)志，在這里標(biāo)志是：TIF_NEED_RESCHED，如果有這一標(biāo)志，就調(diào)用調(diào)度函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。此種情況主要包括以下幾種：

• A. 當(dāng)前進(jìn)程用完了它的CPU時(shí)間片，有scheduler_tick()函數(shù)完成 schedule()的延遲調(diào)用。
• B.當(dāng)一個(gè)被喚醒進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高時(shí)，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
• C.當(dāng)發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler()時(shí)。

在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調(diào)用或中斷而進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，或者當(dāng)前進(jìn)程本來在內(nèi)核態(tài)時(shí)，返回用戶態(tài)時(shí)發(fā)生的。 在UCOS中，所有的任務(wù)有不同的優(yōu)先級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)同一優(yōu)先級(jí)上有多個(gè)任務(wù)的情況，而且也沒有系統(tǒng)調(diào)用的概念，所以任務(wù)調(diào)度的延遲調(diào)用只能出現(xiàn)在中斷處理完成返回時(shí)，在OSIntExt()函數(shù)中，檢查是否有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，如果有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，進(jìn)行任務(wù)切換。

3． 調(diào)度算法：

在Linux系統(tǒng)中，選用了比較復(fù)雜的調(diào)度算法，按照調(diào)度類型可以分為以下幾種：

SCHED_FIFO:此算法主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)進(jìn)程，當(dāng)調(diào)度程序把CPU分配給當(dāng)前進(jìn)程后，如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程可以運(yùn)行時(shí)，此進(jìn)程會(huì)一直占用CPU直到此進(jìn)程退出或者自愿放棄CPU，即使此時(shí)有其他相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程存在。

SCHED_RR:時(shí)間片輪詢的實(shí)時(shí)進(jìn)程，對(duì)于不同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程會(huì)調(diào)度優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程運(yùn)行，對(duì)具有相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，會(huì)根據(jù)時(shí)間片來調(diào)度，當(dāng)當(dāng)前進(jìn)程的時(shí)間片用完后，會(huì)調(diào)度相同優(yōu)先級(jí)的其他進(jìn)程運(yùn)行，從而保證相同優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的CPU調(diào)度公平性。

SCHED_NORMAL:此算法主要用于普通進(jìn)程，利用分時(shí)進(jìn)行調(diào)度。

在UCOS系統(tǒng)中，所有的任務(wù)都是實(shí)時(shí)任務(wù)，所以沒有普通任務(wù)調(diào)度機(jī)制，而且為了簡(jiǎn)化調(diào)度算法，不同的任務(wù)有不同的優(yōu)先級(jí)，不可能出現(xiàn)同一優(yōu)先級(jí)有多個(gè)任務(wù)的情況，實(shí)際上它的調(diào)度算法就只有Linux中SCHED_FIFO這一種，即優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)搶占優(yōu)先級(jí)低任務(wù)。

4． 上下文切換：

上下文切換是多任務(wù)調(diào)度的核心內(nèi)容，也是我們感覺在一個(gè)CPU上并行運(yùn)行多個(gè)程序的基礎(chǔ)。

任務(wù)上下文(Task Context)： 任務(wù)上下文是指任務(wù)運(yùn)行的環(huán)境。例如，針對(duì)x86的CPU，任務(wù)上下文可包括程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、通用寄存器的內(nèi)容。 上下文切換（Context Switching）：在多任務(wù)系統(tǒng)中，上下文切換是指CPU的控制權(quán)由運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)就緒任務(wù)時(shí)所發(fā)生的事件，當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)為就緒（或者掛起、刪除）狀態(tài)，另一個(gè)被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。上下文切換包括保存當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境，恢復(fù)將要運(yùn)行任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。上下文的內(nèi)容依賴于具體的CPU。

對(duì)于不同的硬件體系結(jié)構(gòu)，上下文切換的內(nèi)容不一樣，本質(zhì)上有下面兩步：

• A. 如果有虛擬內(nèi)存，則切換頁全局目錄以安裝一個(gè)新的地址空間。
• B. 切換內(nèi)核堆棧和硬件上下文，因?yàn)橛布�上下文提供了�?nèi)核執(zhí)行新進(jìn)程所需要的所有信息，包括CPU信息。

在搶占式內(nèi)核中，利用中斷來實(shí)現(xiàn)上下文切換是一個(gè)非常理想的機(jī)制。中斷發(fā)生時(shí)，中斷會(huì)強(qiáng)制CPU把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，也就相當(dāng)于一次上下文切換。這樣不僅可以減少程序出錯(cuò)的后果，而且提高切換的效率。UCOS就是利用中斷機(jī)制進(jìn)行上下文切換的典型例子。 在UCOS中，如果調(diào)度程序決定任務(wù)需要切換，就會(huì)調(diào)用上下文切換OS_TASK_SW()進(jìn)行實(shí)際的上下文切換。OS_TASK_SW()是宏調(diào)用，含有微處理器的軟中斷指令，利用此中斷來實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的上下文切換。所以O(shè)S_TASK_SW()是一個(gè)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的宏，對(duì)于不同的硬件體系機(jī)構(gòu)，有不同的實(shí)現(xiàn)方式，這也是UCOS在不同硬件體系結(jié)構(gòu)中移植的一個(gè)要點(diǎn)。

由于UCOS不支持虛擬內(nèi)存，所以不需要進(jìn)行頁目錄切換，其他許多實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)特征，也是區(qū)別Linux系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。

在2.6 Linux kernel中，引入了一個(gè)全新的調(diào)度機(jī)制O(1)調(diào)度器，它能在固定的時(shí)間內(nèi)完成進(jìn)程切換。如果調(diào)度程序決定任務(wù)需要切換，就會(huì)調(diào)用上下文切換函數(shù)context_switch()函數(shù)進(jìn)行上下文切換，此函數(shù)會(huì)調(diào)用switch_mm()切換頁全局目錄以安裝一個(gè)新的地址空間，然后調(diào)用switch_to()切換具體硬件上下文。

總結(jié):

這里主要介紹了多任務(wù)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度及其算法，比較了Linux系統(tǒng)和UCOS系統(tǒng)中的上下文切換，具體實(shí)現(xiàn)可以參考Linux內(nèi)核源代碼和UCOS源代碼。

參考：

• 1． Linux kernel Primer
• 2． Understanding the Linux kernel
• 3． 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II
• 4． 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

相關(guān)閱讀：uc/os操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

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