浅析Linux中的进程和中断.doc

一 进程和进程调度
1.进程
1.1 什么是进程
正在执行的程序代码的实时结果，即处于执行期的程序及相关资源。
系统进行资源分配和调度的基本单元

Linux系统中的进程：
交互式进程 shell命令进程、文本编辑器
批处理进程 编译
实时进程 视频应用程序

1.2 Linux下的进程结构
内核将所有进程存放在进程链表，链表的每一项的类型为task_struct
这个类型就称为进程描述符，一个进程描述符包含了具体进程的所有信息，包括进程的状态、进程标识值、进程间的关系、打开的文件信息等

1. 进程标识
内核通过唯一的进程标识值PID来标识每一个来标志每一个进程
PID存放在进程描述符中
getpid() 获得当前进程的进程号
getppid() 获得当前进程的父进程号

2. 进程的状态

TASK_RUNNING 运行状态（运行就绪、正在运行）
TASK_INTERRUPTIBLE 可中断的阻塞状态
TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可中断的阻塞状态
TASK_TRACED 跟踪状态
TASK_STOPPED 暂停状态

设置当前进程的状态：
set_current_state(current,state);
进程家族树：
Linux系统的进程之间存在继承关系，所有的进程都是PID为1的init进程的后代，内核在系统启动的最后阶段启动init进程。

1.3 Linux 下进程的创建和终止
1. 创建
fork() 拷贝当前进程创建一个子进程
exec() 读取可执行文件并将其载入地址空间开始运行

其中，fork()使用写时复制技术，避免拷贝大量用不到的数据，使系统具有快速执行能力

2. 终止
do_exit() 释放与进程相关的资源，进程僵死不可运行，处于退出状态
但仍保留了进程描述符，此时进程的存在只为父进程能获得它的信息
wait() 终止进程，占用的所有资源被释放
1.4 Linux下的进程调度
1. 进程的优先级

Linux采用两种不同的优先级范围
1) nice值 -20~+19 默认值为0 值越大优先级越低

2) 实时优先级 可配置 0~99 值越大优先级越高

内核将进程分为两个级别: 普通进程和实时进程，任何实时进程的优先级都高于普通进程，实时优先级和nice 优先级处于互不相交的两个范畴

2. 时间片
进程被抢占前持续运行的时间
时间片过长 系统对交互响应表现欠佳
时间片过短 明显增大进程切换带来的处理器耗时
Linux的CFS调度器并没有直接分配时间片到进程，而是划分了处理器的使用比，它还会受到nice值得影响
3. Linux下的进程调度
Linux的调度器类主要实现两类进程调度算法：实时调度算法和完全公平调度算法(CFS)
1） 对实时进程的调度
按优先级执行，一般不会被抢占。直到实时进程执行完，才会执行普通进程。

如果有多个可执行状态的同优先级的实时进程，有两种调度策略：
a)SCHED_FIFO 先进先出
b)SHED_RR 轮转调度 内核为实时进程分配时间片

2） 完全公平调度算法 Completely  Fair Scheduler
CFS 完全公平调度 针对普通进程的调度类
CFS基于一个简单的理念：所有任务都应该公平的分配处理器。理想情况下，n个进程的调度系统中，每个进程获得1/n处理器时间
CFS使用 vruntime变量记录一个进程运行多长时间以及还应该再运行多久，它是一个通过优先级和系统负载等加权过的时间，nice值在CFS中被作为进程获得的处理器运行比的权重，越低的nice值（越高的优先级）进程获得更多的处理器使用权重
CFS在所有可运行进程总数基础上计算出一个进程应该运行多久
可运行进程数量趋于无限时，处理器使用比趋于0，为此CFS引入了每个进程时间片底线，称为最小粒度，默认为1ms
CFS就是通过追踪这个vruntime来进行任务调度，CFS选择具有最小vruntime值的进程作为下一个可执行进程，用红黑树来组织调度实体，而键值就是vruntime。在每个tick中断的时候，会更新进程的信息，并检查这个红黑树，判断某些进程是不是要被替换掉。那么CFS只要选择最左叶子节点作为下一个可执行进程即可。实际上CFS缓存了最左叶子，可以直接选取left_most叶子 _pick_next_entity()

。

二：中断和中断处理
2.1什么是中断
硬件在需要的时候向内核发出信号
由于处理器的速度远大于外围硬件设备的速度，内核可以线处理其它事物，等到硬件真正完成请求再对该请求进行处理

2.2 中断处理的上半部和下半部
为了让中断处理既运行的快，又完成多工作量，中断处理程序从概念上分为上半部分(top half)和下半部分(bottom half)，内核把上半部和下半部分开处理。

1. 上半部——登记中断
中断处理程序收到一个中断，它就立即开始执行，但只做有严格时间限制的工作，如对中断的应答和拷贝数据等，
应该尽量减少上半部的工作量，此时完全屏蔽中断，要求快速，否则其它中断得不到处理
2. 下半部——可以推迟处理的部分
执行与中断处理密切相关但上半部分本身不执行的工作，允许被稍后完成

2.3 注册中断处理程序
每一设备都有相关的驱动程序，如果设备使用中断，相应的驱动程序就需要注册一个中断处理程序
驱动程序通过request_irq()函数注册一个中断处理程序，并且激活给定的中断线
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,unsigned long flags,
const char *name,void *dev)
irq 要分配的中断号
handler 指针，指向处理这个中断的实际中断处理程序
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t) (int,void *)
flags 中断处理的标志
RQF_DISABLED 内核在处理中断处理程序期间，禁止所有其它中断
IRQF_SAMPLE_RANDOM 中断对内核熵池有贡献 内核熵池--负责提供从各种随机事件导出的真正随机数
IRQF_TIMER 系统定时器的中断处理
IRQF_SHARED 在多个中断处理程序之间共享中断线
name 与中断相关的设备的ASCII文本表示
dev 对于共享的中断线，提供唯一的标志信息区分共享同一中断处理程序的多个设备, 支持共享.

函数返回0表示成功执行，返回非0表示有错误

2.4中断处理程序
1.编写中断处理程序
return_t intr_handler(int irq, void *dev)
返回类型 irqreturn_t
IRQ_NONE 不是指定的设备产生的中断
IRQ_HANDLED 被正确调用
对于共享的中断处理程序:
flags 必须设置为IRQF_SHARED
对每个注册的中断处理程序，dev参数唯一(可以使用指向设备结构的指针) 2.释放中断处理程序 void free_irq(unsigned int irq,void *dev)
2.5 /proc/interrupts
该文件存放系统中与中断相关的统计信息

第一列是中断号，第二 三列是接受中断数量的值，第四列是处理这个中断的中断控制器，最后一列是与这个中断相关的设备名字

2.6 中断的控制

2.7 下半部的三种实现机制
在2.6的内核中，有三种下半部的实现机制：软中断 tasklet 和工作队列
其中，tasklet基于软中断实现，工作队列靠内核线程实现