开源鸿蒙内核源码分析系列 | 调度机制 | 抢夺资源需要什么实力

开源鸿蒙内核源码分析系列 | 调度机制 | 抢夺资源需要什么实力

为什么学个东西要学那么多的概念？

从在广义上理解， Task 和 线程 在开源鸿蒙的内核中其实是一个东西，不过，在狭义上理解，就会有所区别。这其中的区别就在于他们有不同的管理体系，Task的概念是调度层面的，线程的概念是进程层面的。拿 main() 函数举例，OsSetMainTask()是mainI()中的首个函数 ;，它的作用是启动任务设置，但毕竟此时啥都还没开始呢，连Kprocess 进程都没被创建，怎么会出现一般意义上所理解的线程呢。

大家在平时，一定会有这种体会：学任何一个新东西的过程中，必然会接触到很多新的概念，尤其是像 Java/android 这样的的生态，枝繁叶茂，相应的概念也特别多。很多同学，如果掌握不到要领，一个猛子扎下去，很快就会无数的概念海藻绕在其中出，难以自拔，痛苦难耐。

那么问题来了，为啥我们需要这么多概念呢？

或许举个例子大家就明白了：

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。

在内核的调度层面，咱们只说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：

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，那他们是如何被有序调度的呢？答案：是32个进程和线程就绪队列，各32个哈。这张进程状态迁移示意图一定要看明白。

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。

  • 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。开源鸿蒙内核默认是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();//时间片检查

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

#if (LOSCFG_BASE_CORE_SWTMR == YES)
    OsSwtmrScan();//软时钟扫描检查
#endif
}
  • 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。

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();// 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！

源码告诉你调度过程是怎样的


VOID OsSchedResched(VOID)
{
    LOS_ASSERT(LOS_SpinHeld(&g_taskSpin));//调度过程要上锁
    newTask = OsGetTopTask(); //获取最高优先级任务
    OsSchedSwitchProcess(runProcess， newProcess);//切换进程
    (VOID)OsTaskSwitchCheck(runTask， newTask);//任务检查
    OsCurrTaskSet((VOID*)newTask);//*设置当前任务
    if (OsProcessIsUserMode(newProcess)) {//判断是否为用户态，使用用户空间
        OsCurrUserTaskSet(newTask->userArea);//设置任务空间
    }
    /* do the task context switch */
    OsTaskSchedule(newTask， runTask); //切换CPU任务上下文，汇编代码实现
}

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，多核情况下只能被一个CPU core 执行。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归属的那个进程设为运行进程，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，资源也都没有释放。
  • 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。空间部分具体在《内存规则 | 紫禁城皇上和奴才如何相处》中查看。
  • 最后，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。

请读懂OsGetTopTask()

读懂OsGetTopTask()，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，开源鸿蒙内核有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
}

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：

根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。

百万汉字注解.精读内核源码

如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：

gitee仓：

https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note

github仓 ：

https://github.com/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

codechina仓：

https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

coding仓：

https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files

写在最后

我们最近正带着大家玩嗨OpenHarmony。如果你有用OpenHarmony开发的好玩的东东，或者有对OpenHarmony的深度技术剖析，想通过我们平台让更多的小伙伴知道和分享的，欢迎投稿，让我们一起嗨起来！有点子，有想法，有Demo，立刻联系我们：

合作邮箱：zzliang@atomsource.org