技術文章 » 鴻蒙核心原始碼分析(排程機制篇)

鴻蒙核心原始碼分析(排程機制篇)

2020-09-23 12:00:39

提示：本文基於開源鴻蒙核心分析，官方原始碼【kernel_liteos_a】官方檔案【docs】參考檔案【Huawei LiteOS】
本文作者：鴻蒙核心發燒友，將持續研究鴻蒙核心，更新博文，敬請關注。內容僅代表個人觀點，錯誤之處，歡迎大家指正完善。本系列全部文章進入 檢視 鴻蒙系統原始碼分析(總目錄)

本文分析任務排程機制原始碼 詳見:../kernel/base/sched/sched_sq/los_sched.c

目錄

建議先閱讀

為什麼學一個東西要學那麼多的概念？

程序和執行緒的狀態遷移圖

誰來觸發排程工作？

原始碼告訴你排程過程是怎樣的？

請讀懂核心最美函數 OsGetTopTask()

建議先閱讀

閱讀之前建議先讀本系列其他文章，進入鴻蒙系統原始碼分析(總目錄)

以便對本文任務排程機制的理解。

為什麼學一個東西要學那麼多的概念？

鴻蒙的核心中 Task 和 執行緒 在廣義上可以理解為是一個東西，但狹義上肯定會有區別，區別在於管理體系的不同，Task是排程層面的概念，執行緒是程序層面概念。比如 main() 函數中首個函數 OsSetMainTask(); 就是設定啟動任務，但此時啥都還沒開始呢，Kprocess 程序都沒建立，怎麼會有大家一般意義上所理解的執行緒呢。狹義上的後續有 鴻蒙核心原始碼分析(啟動過程篇) 來說明。不知道大家有沒有這種體會，學一個東西的過程中要接觸很多新概念，尤其像 Java/android 的生態，概念賊多，很多同學都被繞在概念中出不來，痛苦不堪。那問題是為什麼需要這麼多的概念呢？

舉個例子就明白了：

假如您去深圳參加一個面試老闆問你哪裡人？你會說是 江西人，湖南人... 而不會說是張家村二組的張全蛋，這樣還誰敢要你。但如果你參加同鄉會別人問你同樣問題，你不會說是來自東北那旮沓的，卻反而要說張家村二組的張全蛋。明白了嗎？張全蛋還是那個張全蛋，但因為場景變了，您的說法就得必須跟著變，否則沒法愉快的聊天。

那程式設計就是源於生活，歸於生活，大家對程式的理解就是要用生活中的場景去打比方，更好的理解概念。你說呢？

那在核心的排程層面，咱們就說task, task是核心排程的單元，排程就是圍著它轉。

程序和執行緒的狀態遷移圖

先看看task從哪些渠道產生：

渠道很多，可能是shell 的一個命令，也可能由核心建立，更多的是大家編寫應用程式new出來的一個執行緒。

排程的內容已經有了，那他們如何有序的被排程？答案：是32個程序和執行緒就緒佇列，各32個哈，為什麼是32個，鴻蒙系統原始碼分析(總目錄)文章裡有詳細說明，自己去翻。

這張程序狀態遷移示意圖一定要看明白，執行緒的狀態遷移大家去官方檔案看，不一一列出來，太多了佔地方。

注意程序和執行緒都只有就緒狀態的佇列(阻塞執行緒pendlist是連結串列，核心並沒有用佇列去描述它)但有 因為就緒就意味著工作都準備好了就等著CPU來執行了。有三種情況會加入就緒佇列

 

  • Init→Ready：

    程序建立或fork時，拿到該過程控制塊後進入Init狀態，處於程序初始化階段，當程序初始化完成將程序插入排程佇列，此時程序進入就緒狀態。

  • Pend→Ready / Pend→Running：

    阻塞程序內的任意執行緒恢復就緒態時，程序被加入到就緒佇列，同步轉為就緒態，若此時發生程序切換，則程序狀態由就緒態轉為執行態。

  • Running→Ready：

    程序由執行態轉為就緒態的情況有以下兩種：

  • 有更高優先順序的程序建立或者恢復後，會發生程序排程，此刻就緒列表中最高優先順序程序變為執行態，那麼原先執行的程序由執行態變為就緒態。
  • 若程序的排程策略為SCHED_RR，且存在同一優先順序的另一個程序處於就緒態，則該程序的時間片消耗光之後，該程序由執行態轉為就緒態，另一個同優先順序的程序由就緒態轉為執行態。

誰來觸發排程工作？

就緒佇列讓task各就各位，在其生命週期內不停的進度狀態流轉，那是什麼讓排程去工作的，它是如何被觸發的？

筆者能想到的觸發方式是以下四個：

  • Tick(時鐘管理)，類似於JAVA的定時任務，時間到了就觸發。系統定時器是核心時間機制中最重要的一部分，它提供了一種週期性觸發中斷機制，即系統定時器以HZ（時鐘節拍率）為頻率自行觸發時鐘中斷。當時鍾中斷髮生時，核心就通過時鐘中斷處理程式OsTickHandler對其進行處理。鴻蒙核心預設是10ms觸發一次，執行以下中斷函數：
/*
 * 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 任務掃描，發起排程

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

裡面對任務進行了掃描，呼叫任務排程

  • 第二個是各種軟硬中斷，如何USB插拔，鍵盤，滑鼠這些外設引起的中斷。
  • 第三個是程式主動中斷，比如執行過程中需要申請其他資源，而主動讓出控制權
  • 最後一個是建立一個新任務後主動發起的搶佔式排程
  • 哪些地方會申請排程？看一張圖。

這裡提下圖中的 OsCopyProcess(), 這是fork程序的主體函數，可以看出fork之後立即申請了一次排程。

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 申請排程
    }

    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;
}

原來建立一個程序這麼簡單，真的就是在COPY！ 

原始碼告訴你排程過程是怎樣的？

以上是需要提前瞭解的資訊，接下來直接上原始碼看排程過程吧，檔案就三個函數，主要就是這個了：

VOID OsSchedResched(VOID)
{
    LOS_ASSERT(LOS_SpinHeld(&g_taskSpin));//*kyf 排程過程要上鎖
    newTask = OsGetTopTask(); //*kyf 獲取最高優先順序任務
    OsSchedSwitchProcess(runProcess, newProcess);//*kyf 切換執行的程序
    (VOID)OsTaskSwitchCheck(runTask, newTask);
    OsCurrTaskSet((VOID*)newTask);//*kyf 設定當前任務
    if (OsProcessIsUserMode(newProcess)) {
        OsCurrUserTaskSet(newTask->userArea);//*kyf 執行空間
    }
    /* do the task context switch */
    OsTaskSchedule(newTask, runTask); //*kyf 切換任務上下文
}

函數有點長，筆者留了最重要的幾行，看這幾行就夠了，流程如下:

  1.  排程過程要自旋鎖，不允許任何中斷髮生，沒錯，說的是任何事是不能去打斷它，否則後果太嚴重了，這可是核心在切換程序和執行緒的操作啊。
  2. 在就緒佇列裡找個最高優先順序的task
  3. 切換程序，就是task/執行緒 歸屬的那個程序為當前程序
  4. 設定它為當前任務
  5. 使用者模式需要設定執行空間，因為每個程序的空間是不一樣的
  6. 是最重要的，切換任務上下文，引數是新老兩個任務，一個要儲存現場，一個要恢復現場。

什麼是任務上下文？看鴻蒙系統原始碼分析(總目錄)其他文章，有專門的介紹。這裡要說明的是 在CPU的層面，它只認任務上下文！這裡看不到任何程式碼了，因為這是跟CPU相關的，不同的CPU需要去適配不同的組合程式碼，所以這些組合程式碼不會出現在一個通用工程中。請留意後續 鴻蒙核心原始碼分析(組合指令篇)。

請讀懂核心最美函數 OsGetTopTask()

最後留個作業，讀懂這個筆者認為的核心最美函數，就明白了就緒佇列是怎麼回事了。

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
}

本篇就先寫這麼多吧，鴻蒙核心原始碼雖然檔案不多，但關係及其複雜，拆解原始碼是件辛苦也是快樂的事，編寫成文分享給大家更是件痛並快樂著的事，喜歡的就點個贊吧。謝謝支援！