鸿蒙内核源码分析(调度机制篇)

提示:本文基于开源鸿蒙内核分析,官方源码【kernel_liteos_a】官方文档【docs】参考文档【Huawei LiteOS】
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本文分析任务调度机制源码 详见:../kernel/base/sched/sched_sq/los_sched.c

目录

建议先阅读

为什么学一个东西要学那么多的概念?

进程和线程的状态迁移图

谁来触发调度工作?

源码告诉你调度过程是怎样的?

请读懂内核最美函数 OsGetTopTask()

建议先阅读

阅读之前建议先读本系列其他文章,进入鸿蒙系统源码分析(总目录),以便对本文任务调度机制的理解。

为什么学一个东西要学那么多的概念?

鸿蒙的内核中 Task 和 线程 在广义上可以理解为是一个东西,但狭义上肯定会有区别,区别在于管理体系的不同,Task是调度层面的概念,线程是进程层面概念。比如 main() 函数中首个函数 OsSetMainTask(); 就是设置启动任务,但此时啥都还没开始呢,Kprocess 进程都没创建,怎么会有大家一般意义上所理解的线程呢。狭义上的后续有 鸿蒙内核源码分析(启动过程篇) 来说明。不知道大家有没有这种体会,学一个东西的过程中要接触很多新概念,尤其像 Java/android 的生态,概念贼多,很多同学都被绕在概念中出不来,痛苦不堪。那问题是为什么需要这么多的概念呢?

举个例子就明白了:

假如您去深圳参加一个面试老板问你哪里人?你会说是 江西人,湖南人… 而不会说是张家村二组的张全蛋,这样还谁敢要你。但如果你参加同乡会别人问你同样问题,你不会说是来自东北那旮沓的,却反而要说张家村二组的张全蛋。明白了吗?张全蛋还是那个张全蛋,但因为场景变了,您的说法就得必须跟着变,否则没法愉快的聊天。程序设计就是源于生活,归于生活,大家对程序的理解就是要用生活中的场景去打比方,更好的理解概念。

那在内核的调度层面,咱们就说task, task是内核调度的单元,调度就是围着它转。

进程和线程的状态迁移图

先看看task从哪些渠道产生:

鸿蒙内核源码分析(调度机制篇)

渠道很多,可能是shell 的一个命令,也可能由内核创建,更多的是大家编写应用程序new出来的一个线程。

调度的内容task已经有了,那他们是如何有序的被调度?答案:是32个进程和线程就绪队列,各32个哈,为什么是32个,鸿蒙系统源码分析(总目录)文章里有详细说明,自己去翻。这张进程状态迁移示意图一定要看明白,线程的状态迁移大家去官方文档看,不一一列出来,太多了占地方。

注意:进程和线程的队列内的内容只针对就绪状态,其他状态内核并没有用队列去描述它,(线程的阻塞状态用的是pendlist链表),因为就绪就意味着工作都准备好了就等着被调度到CPU来执行了。所以理解就绪队列很关键,有三种情况会加入就绪队列。

鸿蒙内核源码分析(调度机制篇)

 

Init→Ready:

进程创建或fork时,拿到该进程控制块后进入Init状态,处于进程初始化阶段,当进程初始化完成将进程插入调度队列,此时进程进入就绪状态。

Pend→Ready / Pend→Running:

阻塞进程内的任意线程恢复就绪态时,进程被加入到就绪队列,同步转为就绪态,若此时发生进程切换,则进程状态由就绪态转为运行态。

Running→Ready:

进程由运行态转为就绪态的情况有以下两种:

有更高优先级的进程创建或者恢复后,会发生进程调度,此刻就绪列表中最高优先级进程变为运行态,那么原先运行的进程由运行态变为就绪态。若进程的调度策略为SCHED_RR,且存在同一优先级的另一个进程处于就绪态,则该进程的时间片消耗光之后,该进程由运行态转为就绪态,另一个同优先级的进程由就绪态转为运行态。

谁来触发调度工作?

就绪队列让task各就各位,在其生命周期内不停的进行状态流转,调度是让task交给CPU处理,那又是什么让调度去工作的呢?它是如何被触发的?

笔者能想到的触发方式是以下四个:

Tick(时钟管理),类似于JAVA的定时任务,时间到了就触发。系统定时器是内核时间机制中最重要的一部分,它提供了一种周期性触发中断机制,即系统定时器以HZ(时钟节拍率)为频率自行触发时钟中断。当时钟中断发生时,内核就通过时钟中断处理程序OsTickHandler对其进行处理。鸿蒙内核默认是10ms触发一次,执行以下中断函数:

/*
* Description : Tick interruption handler
*/
LITE_OS_SEC_TEXT VOID OsTickHandler(VOID)
{
UINT32 intSave;

TICK_LOCK(intSave);
g_tickCount[ArchCurrCpuid()]++;
TICK_UNLOCK(intSave);

#ifdef LOSCFG_KERNEL_VDSO
OsUpdateVdsoTimeval();
#endif

#ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS
OsTickIrqFlagSet(OsTicklessFlagGet());
#endif

#if (LOSCFG_BASE_CORE_TICK_HW_TIME == YES)
HalClockIrqClear(); /* diff from every platform */
#endif

OsTimesliceCheck();

OsTaskScan(); /* task timeout scan *///*kyf 任务扫描,发起调度

#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES)
OsSwtmrScan();
#endif
}

里面对任务进行了扫描,时间片到了或就绪队列有高或同级task, 会执行调度。

第二个是各种软硬中断,如何USB插拔,键盘,鼠标这些外设引起的中断,需要去执行中断处理函数。第三个是程序主动中断,比如运行过程中需要申请其他资源,而主动让出控制权,重新调度。最后一个是创建一个新进程或新任务后主动发起的抢占式调度,新进程会默认创建一个main task, task的首条指令(入口函数)就是我们上层程序的main函数,它被放在代码段的第一的位置。哪些地方会申请调度?看一张图。鸿蒙内核源码分析(调度机制篇)

这里提下图中的 OsCopyProcess(), 这是fork进程的主体函数,可以看出fork之后立即申请了一次调度。

LITE_OS_SEC_TEXT INT32 LOS_Fork(UINT32 flags, const CHAR *name, const TSK_ENTRY_FUNC entry, UINT32 stackSize)
{
UINT32 cloneFlag = CLONE_PARENT | CLONE_THREAD | CLONE_VFORK | CLONE_FILES;

if (flags & (~cloneFlag)) {
PRINT_WARN("Clone dont support some flags!\n");
}

flags |= CLONE_FILES;
return OsCopyProcess(cloneFlag & flags, name, (UINTPTR)entry, stackSize);
}

STATIC INT32 OsCopyProcess(UINT32 flags, const CHAR *name, UINTPTR sp, UINT32 size)
{
UINT32 intSave, ret, processID;
LosProcessCB *run = OsCurrProcessGet();

LosProcessCB *child = OsGetFreePCB();
if (child == NULL) {
return -LOS_EAGAIN;
}
processID = child->processID;

ret = OsForkInitPCB(flags, child, name, sp, size);
if (ret != LOS_OK) {
goto ERROR_INIT;
}

ret = OsCopyProcessResources(flags, child, run);
if (ret != LOS_OK) {
goto ERROR_TASK;
}

ret = OsChildSetProcessGroupAndSched(child, run);
if (ret != LOS_OK) {
goto ERROR_TASK;
}

LOS_MpSchedule(OS_MP_CPU_ALL);
if (OS_SCHEDULER_ACTIVE) {
LOS_Schedule();//*kyf 申请调度
}

return processID;

ERROR_TASK:
SCHEDULER_LOCK(intSave);
(VOID)OsTaskDeleteUnsafe(OS_TCB_FROM_TID(child->threadGroupID), OS_PRO_EXIT_OK, intSave);
ERROR_INIT:
OsDeInitPCB(child);
return -ret;
}

原来创建一个进程这么简单,真的就是在COPY! 这里抛个问题请大家思考,为何 创建进程用copy ,创建线程用 new?

源码告诉你调度过程是怎样的

以上是需要提前了解的信息,接下来直接上源码看调度过程吧,文件就三个函数,主要就是这个了:

VOID OsSchedResched(VOID)
{
LOS_ASSERT(LOS_SpinHeld(&g_taskSpin));//*kyf 调度过程要上锁
newTask = OsGetTopTask(); //*kyf 获取最高优先级任务
OsSchedSwitchProcess(runProcess, newProcess);//*kyf 切换运行的进程
(VOID)OsTaskSwitchCheck(runTask, newTask);
OsCurrTaskSet((VOID*)newTask);//*kyf 设置当前任务
if (OsProcessIsUserMode(newProcess)) {
OsCurrUserTaskSet(newTask->userArea);//*kyf 运行空间
}
/* do the task context switch */
OsTaskSchedule(newTask, runTask); //*kyf 切换任务上下文
}

函数有点长,笔者留了最重要的几行,看这几行就够了,流程如下:

     调度过程要自旋锁,不允许任何中断发生,没错,说的是任何事是不能去打断它,否则后果太严重了,这可是内核在切换进程和线程的操作啊。在就绪队列里找个最高优先级的task切换进程,就是task/线程 归属的那个进程为当前进程,这里要注意,老的task和老进程只是让出了CPU指令执行权,其他都还在内存。设置新任务为当前任务用户模式下需要设置task运行空间,因为每个task栈是不一样的是最重要的,切换任务上下文,参数是新老两个任务,一个要保存现场,一个要恢复现场。

什么是任务上下文?看鸿蒙系统源码分析(总目录)其他文章,有专门的介绍。这里要说明的是 在CPU的层面,它只认任务上下文!这里看不到任何代码了,因为这是跟CPU相关的,不同的CPU需要去适配不同的汇编代码,所以这些汇编代码不会出现在一个通用工程中。请留意后续 鸿蒙内核源码分析(汇编指令篇)。

请读懂内核最美函数 OsGetTopTask()

最后留个作业,读懂这个笔者认为的内核最美函数,就明白了就绪队列是怎么回事了。这里提下goto语句,几乎所有内核代码都会大量的使用goto语句,鸿蒙内核有617个goto远大于264个break,还有人说要废掉goto,你知道内核开发者青睐goto的真正原因吗?

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR LosTaskCB *OsGetTopTask(VOID)
{
UINT32 priority, processPriority;
UINT32 bitmap;
UINT32 processBitmap;
LosTaskCB *newTask = NULL;
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
UINT32 cpuid = ArchCurrCpuid();
#endif
LosProcessCB *processCB = NULL;
processBitmap = g_priQueueBitmap;
while (processBitmap) {
processPriority = CLZ(processBitmap);
LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(processCB, &g_priQueueList[processPriority], LosProcessCB, pendList) {
bitmap = processCB->threadScheduleMap;
while (bitmap) {
priority = CLZ(bitmap);
LOS_DL_LIST_FOR_EACH_ENTRY(newTask, &processCB->threadPriQueueList[priority], LosTaskCB, pendList) {
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
if (newTask->cpuAffiMask & (1U << cpuid)) {
#endif
newTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_READY;
OsPriQueueDequeue(processCB->threadPriQueueList,
&processCB->threadScheduleMap,
&newTask->pendList);
OsDequeEmptySchedMap(processCB);
goto OUT;
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
}
#endif
}
bitmap &= ~(1U << (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM - priority - 1));
}
}
processBitmap &= ~(1U << (OS_PRIORITY_QUEUE_NUM - processPriority - 1));
}

OUT:
return newTask;
}

#ifdef __cplusplus
#if __cplusplus
}

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原创:https://www.panoramacn.com
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