Linux系统内核中idle的知识介绍

Linux系统越来越受到电脑用户的欢迎,于是很多人开始学习Linux时,学习linux,你可能会遇到linux内核问题,这里将介绍linux内核中idle知识,在这里拿出来和大家分享一下。

idle是什么
简单的说idle是一个进程,其pid号为 0。其前身是系统创建的第一个进程,也是唯一一个没有通过fork()产生的进程。在smp系统中,每个处理器单元有独立的一个运行队列,而每个运行队列上又有一个idle进程,即有多少处理器单元,就有多少idle进程。系统的空闲时间,其实就是指idle进程的“运行时间”。既然是idle是进程,那我们来看看idle是如何被创建,又具体做了哪些事情?

idle的创建
我们知道系统是从BIOS加电自检,载入MBR中的引导程序(LILO/GRUB),再加载linux内核开始运行的,一直到指定Shell开始运行告一段落,这时用户开始操作Linux。而大致是在vmlinux的入口startup_32(head.S)中为pid号为0的原始进程设置了执行环境,然后原是进程开始执行start_kernel()完成Linux内核的初始化工作。包括初始化页表,初始化中断向量表,初始化系统时间等。继而调用 fork(),创建第一个用户进程:

kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS | CLONE_SIGHAND);

这个进程就是着名的pid为1的init进程,它会继续完成剩下的初始化工作,然后execve(/sbin/init), 成为系统中的其他所有进程的祖先。关于init我们这次先不研究,回过头来看pid=0的进程,在创建了init进程后,pid=0的进程调用 cpu_idle()演变成了idle进程。

current_thread_info()-》status |= TS_POLLING;

在 smp系统中,除了上面刚才我们讲的主处理器(执行初始化工作的处理器)上idle进程的创建,还有从处理器(被主处理器activate的处理器)上的 idle进程,他们又是怎么创建的呢?接着看init进程,init在演变成/sbin/init之前,会执行一部分初始化工作,其中一个就是 smp_prepare_cpus(),初始化SMP处理器,在这过程中会在处理每个从处理器时调用

task = copy_process(CLONE_VM, 0, idle_regs(®s), 0, NULL, NULL, 0);
init_idle(task, cpu);

即从init中复制出一个进程,并把它初始化为idle进程(pid仍然为0)。从处理器上的idle进程会进行一些Activate工作,然后执行cpu_idle()。整个过程简单的说就是,原始进程(pid=0)创建init进程(pid=1),然后演化成idle进程(pid=0)。init进程为每个从处理器(运行队列)创建出一个idle进程(pid=0),然后演化成/sbin/init。

idle的运行时机
idle 进程优先级为MAX_PRIO,即最低优先级。早先版本中,idle是参与调度的,所以将其优先级设为最低,当没有其他进程可以运行时,才会调度执行 idle。而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度,而是在运行队列结构中含idle指针,指向idle进程,在调度器发现运行队列为空的时候运行,调入运行。

idle的workload
从上面的分析我们可以看出,idle在系统没有其他就绪的进程可执行的时候才会被调度。不管是主处理器,还是从处理器,最后都是执行的cpu_idle()函数。所以我们来看看cpu_idle做了什么事情。

因为idle进程中并不执行什么有意义的任务,所以通常考虑的是两点:1.节能,2.低退出延迟。
其核心代码如下:

void cpu_idle(void) { int cpu = smp_processor_id(); current_thread_info()status |= TS_POLLING; /* endless idle loop with no priority at all */ while (1) { tick_nohz_stop_sched_tick(1); while (!need_resched()) { check_pgt_cache(); rmb(); if (rcu_pending(cpu)) rcu_check_callbacks(cpu, 0); if (cpu_is_offline(cpu)) play_dead(); local_irq_disable(); __get_cpu_var(irq_stat).idle_timestamp = jiffies; /* Don‘t trace irqs off for idle */ stop_critical_timings(); pm_idle(); start_critical_timings(); } tick_nohz_restart_sched_tick(); preempt_enable_no_resched(); schedule(); preempt_disable(); } }

循环判断need_resched以降低退出延迟,用idle()来节能。

默认的idle实现是hlt指令,hlt指令使CPU处于暂停状态,等待硬件中断发生的时候恢复,从而达到节能的目的。即从处理器C0态变到 C1态(见 ACPI标准)。这也是早些年windows平台上各种“处理器降温”工具的主要手段。当然idle也可以是在别的ACPI或者APM模块中定义的,甚至是自定义的一个idle(比如说nop)。

小结:

  • idle是一个进程,其pid为0。
  • 主处理器上的idle由原始进程(pid=0)演变而来。从处理器上的idle由init进程fork得到,但是它们的pid都为0。
  • Idle进程为最低优先级,且不参与调度,只是在运行队列为空的时候才被调度。
  • Idle循环等待need_resched置位。默认使用hlt节能。

希望通过本文你能全面了解linux内核中idle知识。

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