linux2.6.XX進程切換和時間片再生

　　上一篇中介紹了linux0.01的進程切換的時間複雜度是O(n)級的， 這對linux0.01來說不會有什麼問題， 因為linux0.01最多隻能有64個進程。 可是現在的linux操作系統可能有幾百上千個進程併發執行， 而且為了更智能地調度進程，其分配時間片的算法也越來越複雜， 如果仍然採用O(n)的切換算法，那就有點危險了。

　　從上一篇中可以看出時間主要消耗在兩個地方：

  1. 選擇合適的進程進行切換O(n)
  2. 時間片再生O(n)

linux2.6.XX中成功的把它們降到了O(1)

選擇進程進行切換

　　linux2.6.XX 中有個封裝了進程信息的結構體： 優先級數組(struct prio_array)。這個結構體內有3個成員：

  1. 進程個數
  2. 優先級位圖
  3. 優先級隊列的數組

位圖中每一位對應一個優先級隊列， 如果隊列非空，那對應的那一位就是1：

bits

　　linux2.6.XX 的進程有140個優先級， 所以對應的位圖應該有140比特，而實際上它是5個unsigned long 構成，共160比特。與linux0.01不同的是2.6的優先級 值越小優先級越高。而且2.6不是優先執行剩餘時間片最多的進程， 而是優先執行優先級最高的進程。 所以調度的時候只要找出第1個被設置為1的位， 然後從該位對應的隊列中出隊一個進程就可以了。 尋找第一個被設置為1的位可以用bsfl指令， 它一次可以找4個字節，所以無論存在多少進程這條指令最多被執行5次， 這點開銷可以說微不足道。

　　如果當前位圖是上面這種情況，那麼現在可運行的進程 的最高優先級是7，只要第7個隊列出隊一個進程，切換到它就行了。

再生時間片

　　噹噹前進程的時間片耗光了之後會立即重新分配時間片， 時間片分配好後不能再放置到原來的優先級數組中 （否則低優先級的進程就得等高優先級的進程死掉了才能投入運行， 這就不是多任務了）， 其實還有一個優先級數組（名為expired， 而之前談論的一直是active優先級數組）， 這種再分配時間片的進程都放置到expired之中。

　　這樣一段時間後， active中的進程一個個都被轉移到了expired之中， 這時schedule會交換一下active和expired （簡單地交換一下指針就好了）， 然後又可以從active中挑選進程了。

　　還是圖文並茂吧：

  1. 假設原來有3個進程：A、B、C，它們的優先級分別是14、16、16

    1

  2. 按照優先級A會被挑出來執行，等A的時間片耗完了， A會被重新分配時間片並放置到expired中：

    2

  3. 接著B和C都是優先級最高的，出隊B（假設靠近位圖的是隊頭， 隊列其實是雙向鏈表，這裡我就不關心了），B執行完後：

    3

  4. 接著又是C：

    4

  5. 現在active中已經沒有進程了，交換指針：

    5

每一步都是那麼的簡單， 進程的切換的時間開銷已經跟進程的數量沒有太大的關係了。

　　其實時間片再分配變O(1)是個假象， 因為n個進程再分配時間片的總開銷還是O(n)的。 這裡其實是將分配時間片的工作分攤到每個進程了， 而每個進程都有幾十ms的時間去運行， 也不在乎花費幾個us的時間給自己補充一下時間片。 而linux0.01的設計就不合理了， 如果幾百個進程都憋到一個切換進程的間隔來領取時間片， 進程切換就有點遲鈍了。

　　而挑選進程來運行變O(1)就真是一個壯舉了， 而這跟我上一篇中提到的排序由O(nlog(n))變O(n) 的原理是一樣的：

  • 排序
    • 歸併排序、快排(最好情況) -> 計數排序
    • O(nlog(n)) -> O(n)
    • 比較 -> 非比較
  • 切換
    • 0.01 -> 2.6.XX
    • O(n) -> O(1)
    • 比較 -> 非比較

都是從n個進程中挑選一個進程： 0.01使用遍歷比較剩餘時間片的數量，找出最大的； 2.6.XX從自然有序的優先級位圖中找出第一個被設置為1的位 ，沒有比較。