理解 linux 内核调度

一些资料

这些视频比较全，如果遇到问题可以从这里面搜一下看看有没有相关的学习资料。

子牙老师：

直接在微信公众号上搜“硬核子牙调度”，这样就能搜到一些比较好的文章。

关于调度

微信上面把原理讲了一下：

调度原理一：

https://mp.weixin.qq.com/s/Fh8G5f3r6ao9N0tSgyjvkw

调度原理二：

https://mp.weixin.qq.com/s/0QIcAAChzsBWzg4qlYMD3w

想彻弄明白细节需要把结构本和函数列出来，核心的代码在： include/linux/sched.h 和 kernel/sched/core.c 当中。

SMT 域：同一个核心的硬件线程。

CORE 域：同一个核心的所有硬件线程。

MC 域：同一个 CPU 芯片的所有核心。

DIE 域：同一个 CPU 封装的所有 CPU 芯片。

SYSTEM 域：整个系统的所有 CPU。

调度很简单

早期莱纳茨刚写linux的时候，让cpu两个任务一个打印0，一个打印 1 。这个发明一点也不难想，但是就是很有效。

明白了！你指的是 Linus Torvalds 早期编写 Linux内核时 ，为了演示多任务调度而实现的一个简单示例：让 CPU在两个任务之间切换，一个任务打印 0 ，另一个任务打印 1 。这个示例确实是Linux 早期开发阶段的一个经典案例，用于验证内核的 任务调度 功能。

背景

在 Linux 内核的早期版本中，Linus Torvalds实现了一个非常简单的任务调度器，用于验证内核是否能够支持多任务并发执行。这个调度器的核心功能是在两个任务之间切换，一个任务打印 0 ，另一个任务打印 1 。通过观察输出结果（交替的 0 和 1 ），可以验证调度器是否正常工作。

这种实现非常原始，但它展示了操作系统核心功能之一： 任务调度 。

实现原理

任务定义 ：
- 定义两个简单的任务，每个任务是一个无限循环，分别打印 0 和 1 。
- 任务的代码可能是用汇编语言或 C 语言编写的。
任务切换 ：
- 实现一个简单的调度器，负责在两个任务之间切换。
- 任务切换的核心是保存当前任务的上下文（如寄存器状态），并恢复下一个任务的上下文。
定时器中断 ：
- 使用定时器中断触发任务切换。
- 每次定时器中断发生时，调度器会切换到另一个任务。
输出结果 ：
- 如果调度器工作正常，输出结果应该是交替的 0 和 1 。

示例代码（概念性）

以下是一个概念性的代码示例，展示了早期 Linux内核中可能实现的多任务调度：

任务定义

void task0() {
    while (1) {
        print("0");
    }
}

void task1() {
    while (1) {
        print("1");
    }
}

调度器

struct task {
    void (*function)(); // 任务函数指针
    void* stack;        // 任务栈指针
    void* context;      // 任务上下文
};

struct task tasks[2];
int current_task = 0;

// 保存当前任务的上下文
void save_context(struct task* t) {
    // 保存寄存器状态到 t->context
}

// 恢复下一个任务的上下文
void restore_context(struct task* t) {
    // 从 t->context 恢复寄存器状态
}

// 任务切换
void schedule() {
    // 保存当前任务的上下文
    save_context(&tasks[current_task]);

    // 切换到下一个任务
    current_task = (current_task + 1) % 2;

    // 恢复下一个任务的上下文
    restore_context(&tasks[current_task]);
}

// 定时器中断处理函数
void timer_interrupt() {
    schedule();
}

初始化任务

void init_tasks() {
    tasks[0].function = task0;
    tasks[0].stack = allocate_stack();
    tasks[0].context = allocate_context();

    tasks[1].function = task1;
    tasks[1].stack = allocate_stack();
    tasks[1].context = allocate_context();
}

主函数

void main() {
    init_tasks();
    start_timer(timer_interrupt);

    // 启动第一个任务
    restore_context(&tasks[0]);
}

运行结果

如果调度器工作正常，输出结果应该是交替的 0 和 1 ，例如：

0 1 0 1 0 1 0 1 ...

意义

这个简单的示例展示了操作系统核心功能之一： 任务调度 。通过实现任务切换，Linus Torvalds 验证了 Linux 内核能够支持多任务并发执行。这是 Linux内核发展的一个重要里程碑，为后续更复杂的功能（如进程管理、内存管理、文件系统等）奠定了基础。

总结

你提到的早期 Linux 内核中让 CPU 打印交替的 0 和 1 的示例，是 Linus Torvalds用于验证任务调度功能的简单实现。这个示例展示了任务切换的核心原理，是Linux内核发展过程中的一个重要实验。虽然它非常简单，但它为后续更复杂的功能奠定了基础。

设计者思维

我的思维一直是一个设计者，只看一些细节总是让我这样思维的人感到难以理解。世界是稳定的，是现实的，客观的。理论在这个世界中是可以认识的。

select_task_rq 是 linux 内核调度器的一个关键函数，用于为任务选择合适的 CPU 核心，它的实现包含以下步骤：

检查 CPU 亲和性。

负载均衡，选择负载较轻的 CPU。

唤醒优化，优先选择当前 CPU。

NUMA 感知，选择最优的 CPU 组。

默认选择当前 CPU。

通过 select_task_rq()，Linux 内核能够高效地将任务分配到合适的 CPU 核心上运行，从而实现负载均衡和性能优化。

实时调度器的核心算法

固定优先级调度（Fixed-Priority Scheduling）

这是 Linux 实时调度器的默认调度策略。

每个实时任务都有一个固定的优先级（rt_priority），范围是 1（最低）到 99（最高）。

调度器总是选择优先级最高的就绪任务来运行。

如果多个任务具有相同的优先级，则使用轮转调度（Round-Robin）策略，每个任务运行一个固定的时间片（sched_rr_timeslice）。

最早截止时间优先（Earliest Deadline First, EDF）

EDF 是一种动态优先级调度算法，适用于周期性或具有明确截止时间的实时任务。

每个任务都有一个截止时间（deadline），调度器总是选择截止时间最早的任务来运行。

EDF 需要显式配置任务的截止时间，通常通过 sched_setattr() 系统调用设置。

x86 有哪些汇编文件

什么需要用汇编写很好理解，初始化硬件。cpu 切换进程上下文。

汇编当中有一些有趣的函数，比如：

还有一些有意思的宏，把底层的汇编包起来，比如：

#define ENTRY(entry) OFFSET(pt_regs_ ## entry, pt_regs, entry)
        ENTRY(bx);
        ENTRY(cx);
        ENTRY(dx);
        ENTRY(sp);
        ENTRY(bp);
        ENTRY(si);
        ENTRY(di);
        ENTRY(r8);
        ENTRY(r9);
        ENTRY(r10);
        ENTRY(r11);
        ENTRY(r12);
        ENTRY(r13);
        ENTRY(r14);
        ENTRY(r15);
        ENTRY(flags);
        BLANK();
#undef ENTRY

标记函数入口 ENTRY宏用于标记一个符号（通常是一个函数）的入口点。在汇编中，它通常是定义符号地址的起始点。
例如：
ENTRY(start_kernel) 这里，start_kernel是内核启动的函数名称。ENTRY宏将它标记为一个入口点，并确保正确的符号定义。
确保正确的对齐在x86架构中，处理器的指令集要求函数的入口通常需要对齐（比如，16字节对齐）。ENTRY宏通常会包括一些对齐的指令，以确保函数入口在内存中的位置满足对齐要求，从而避免不必要的性能损失。
例如，ENTRY宏可能会插入一些填充字节或对齐指令，如：
.align 16
生成符号表 ENTRY宏也负责生成符号表中的符号，使得函数或标签可以在内核的其他部分引用。这有助于调试和符号解析。
与汇编语言的入口约定结合在x86架构中，ENTRY宏还会处理与函数入口相关的调用约定，特别是在汇编代码中。这意味着，它会确保堆栈对齐，保存和恢复寄存器等必要的操作。

start_kernel 函数

这里面的 void __init setup_arch(char **cmdline_p) 这个函数确定内核是不是被 EFI loader 加载了。

EFI loader

EFI Loader*（EFI 引导加载程序）是一种用于在UEFI（统一可扩展固件接口） *系统上加载操作系统的引导程序。它是 UEFI固件的一 部分，负责在系统启动时加载操作系统的内核或引导管理器（如GRUB）。以下是 EFI Loader 的详细说明及其用途：

1. UEFI 和 EFI Loader 的背景

UEFI ：
- UEFI 是一种现代化的固件接口，用于替代传统的 BIOS（基本输入输出系统）。
- 它提供了更强大的功能，如支持更大的硬盘、更快的启动速度、图形化界面以及网络支持。
EFI Loader ：
- EFI Loader 是 UEFI 固件的一部分，负责加载操作系统或引导管理器。
- 它通常是一个 .efi 文件，存储在 EFI 系统分区（ESP）中。

2. EFI Loader 的作用

EFI Loader 的主要作用是在系统启动时加载操作系统或引导管理器。具体功能包括：

（1）加载操作系统内核

EFI Loader 可以直接加载操作系统的内核（如 Linux 的 vmlinuz ）。
例如，Linux 内核可以编译为 EFI 可执行文件（ vmlinuz.efi ），由 EFI Loader 直接加载。

（2）加载引导管理器

EFI Loader 可以加载引导管理器（如GRUB、systemd-boot），由引导管理器进一步加载操作系统。
引导管理器通常提供更复杂的功能，如多操作系统选择、内核参数配置等。

（3）提供启动菜单

EFI Loader 可以显示启动菜单，允许用户选择要启动的操作系统或内核。
例如，GRUB 的 EFI 版本（ grubx64.efi ）可以显示多操作系统选择菜单。

（4）传递启动参数

EFI Loader 可以向操作系统传递启动参数（如内核命令行参数）。
这些参数可以用于配置内核的行为（如调试模式、根文件系统位置等）。

（5）支持安全启动（Secure Boot）

EFI Loader 支持 UEFI的安全启动功能，确保只有经过签名的操作系统或引导管理器可以被加载。
这可以防止恶意软件在启动过程中加载。

3. EFI Loader 的工作流程

EFI Loader 的工作流程通常包括以下步骤：

系统启动 ：
- 系统通电后，UEFI 固件开始执行。
*加载 EFI Loader*：
- UEFI 固件从 EFI 系统分区（ESP）中加载 EFI Loader（如 bootx64.efi 或 grubx64.efi ）。
执行 EFI Loader ：
- EFI Loader 初始化硬件，并加载操作系统内核或引导管理器。
加载操作系统 ：
- 如果 EFI Loader 是引导管理器（如GRUB），它会显示启动菜单，并加载用户选择的操作系统。
- 如果 EFI Loader 是操作系统内核（如 vmlinuz.efi ），它会直接启动操作系统。
启动完成 ：
- 操作系统接管系统控制权，完成启动过程。

4. EFI Loader 的常见实现

以下是一些常见的 EFI Loader 实现：

（1）GRUB

GRUB 是一个流行的引导管理器，支持 UEFI 和传统 BIOS。
它的 EFI 版本是 grubx64.efi （64 位系统）或 grubia32.efi （32位系统）。
GRUB 提供了强大的功能，如多操作系统支持、内核参数配置、文件系统访问等。

（2）systemd-boot

systemd-boot 是一个轻量级的引导管理器，通常用于基于 systemd 的 Linux发行版（如 Fedora、Arch Linux）。
它的 EFI 版本是 bootx64.efi 。
systemd-boot 提供了简单的启动菜单和快速启动功能。

（3）Windows Boot Manager

Windows 的 EFI Loader 是 bootmgfw.efi=，位于 EFI 系统分区的 =EFI/Microsoft/Boot/ 目录下。
它负责加载 Windows 操作系统内核（ winload.efi ）。

（4）Linux 内核 EFI Stub

Linux 内核可以编译为 EFI 可执行文件（ vmlinuz.efi ），直接由 UEFI固件加载。
这种方式跳过了引导管理器，简化了启动流程。

5. EFI Loader 的存储位置

EFI Loader 通常存储在 EFI 系统分区（ESP） 中，这是一个 FAT32格式的分区，挂载点为 /boot/efi 。常见的 EFI Loader 文件路径包括：

/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI ：默认的 EFI Loader，用于 64 位系统。
/EFI/ubuntu/grubx64.efi ：Ubuntu 的 GRUB EFI Loader。
/EFI/Microsoft/Boot/bootmgfw.efi ：Windows 的 EFI Loader。

6. EFI Loader 的配置

EFI Loader 的配置通常存储在 EFI 系统分区中，例如：

GRUB ：配置文件位于 =/boot/grub/grub.cfg=。
systemd-boot ：配置文件位于 /boot/loader/entries/ 目录下。
Windows Boot Manager ：配置文件位于 EFI/Microsoft/Boot/BCD 。

7. EFI Loader 的用途总结

EFI Loader 的主要用途包括：

*加载操作系统内核*：直接启动操作系统。
加载引导管理器 ：提供多操作系统选择和配置功能。
支持安全启动 ：确保只有经过签名的操作系统或引导管理器可以被加载。
提供启动菜单 ：允许用户选择要启动的操作系统或内核。
传递启动参数 ：配置内核的行为。

8. 总结

EFI Loader 是 UEFI系统启动过程中的关键组件，负责加载操作系统或引导管理器。它提供了强大的功能，如多操作系统支持、安全启动、启动菜单等，是现代计算机系统启动流程的核心部分。通过EFI Loader，用户可以灵活地管理和启动多个操作系统。

grub这个efi loader可以手动指定加载某个内核吗？

是的， GRUB 作为 EFI Loader 可以手动指定加载某个内核。GRUB提供了灵活的配置和交互式菜单，允许用户选择要加载的内核或操作系统。以下是手动指定加载某个内核的几种方法：

1. 通过 GRUB 菜单选择内核

在系统启动时，GRUB 会显示一个启动菜单，列出可用的内核和操作系统。
使用上下箭头键选择要加载的内核，然后按 Enter 键启动。

2. 通过 GRUB 命令行手动加载内核

在 GRUB 菜单界面，按 c 键进入 GRUB 命令行模式。
在命令行中，可以手动指定内核和 initramfs 文件，然后启动系统。

示例：

假设内核文件为 /boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic ，initramfs 文件为 /boot/initrd.img-5.15.0-50-generic ，根文件系统在 /dev/sda1 。

grub> linux /boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic root=/dev/sda1
grub> initrd /boot/initrd.img-5.15.0-50-generic
grub> boot

说明：

linux ：指定内核文件。
initrd ：指定 initramfs 文件。
boot ：启动系统。

3. 修改 GRUB 配置文件

GRUB 的配置文件通常位于 /boot/grub/grub.cfg 。
可以通过编辑配置文件来指定默认加载的内核或添加新的启动项。

示例：

在 /etc/grub.d/40_custom 中添加一个新的启动项：

menuentry 'My Custom Kernel' {
    set root='hd0,msdos1'
    linux /boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic root=/dev/sda1
    initrd /boot/initrd.img-5.15.0-50-generic
}

然后更新 GRUB 配置：

sudo update-grub

说明：

menuentry ：定义一个新的启动项。
set root ：指定根分区。
linux ：指定内核文件。
initrd ：指定 initramfs 文件。

4. 通过 GRUB 环境变量指定内核

GRUB 支持环境变量，可以通过设置环境变量来指定默认加载的内核。

示例：

在 GRUB 命令行中设置环境变量：

grub> set default_kernel=/boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic
grub> set default_initrd=/boot/initrd.img-5.15.0-50-generic
grub> set root=/dev/sda1
grub> linux $default_kernel root=$root
grub> initrd $default_initrd
grub> boot

说明：

set ：设置环境变量。
$default_kernel 和 $default_initrd ：引用环境变量。

5. 使用 GRUB 的 `configfile` 命令

可以使用 configfile 命令加载另一个 GRUB 配置文件，从而指定要加载的内核。

示例：

假设有一个自定义的 GRUB 配置文件 /boot/grub/custom.cfg ，内容如下：

menuentry 'Custom Kernel' {
    linux /boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic root=/dev/sda1
    initrd /boot/initrd.img-5.15.0-50-generic
}

在 GRUB 命令行中加载该配置文件：

grub> configfile /boot/grub/custom.cfg

说明：

configfile ：加载指定的 GRUB 配置文件。

6. 通过 UEFI 固件直接加载内核

如果内核编译为 EFI 可执行文件（如 vmlinuz.efi ），可以通过 UEFI固件直接加载内核，而无需使用 GRUB。

示例：

将内核文件复制到 EFI 系统分区：

sudo cp /boot/vmlinuz-5.15.0-50-generic /boot/efi/EFI/ubuntu/vmlinuz.efi

在 UEFI 启动菜单中选择 vmlinuz.efi 启动。

7. 总结

方法	说明
GRUB 菜单	在启动时选择要加载的内核。
GRUB 命令行	手动指定内核和 initramfs 文件。
修改 GRUB 配置文件	添加新的启动项或修改默认启动项。
GRUB 环境变量	设置环境变量来指定内核和 initramfs 文件。
`configfile` 命令	加载自定义的 GRUB 配置文件。
UEFI 固件直接加载	如果内核编译为 EFI 可执行文件，可以直接通过 UEFI 固件加载。

通过这些方法，你可以灵活地手动指定加载某个内核，满足不同的启动需求。

中断使用

网络设备：NET_RX_SOFTIRQ 和 NET_TX_SOFTIRQ。

块设备：BLOCK_SOFTIRQ。

定时器：TIMER_SOFTIRQ。

任务队列：TASKLET_SOFTIRQ 和 HI_SOFTIRQ。

高分辨率定时器：HRTIMER_SOFTIRQ。

RCU：RCU_SOFTIRQ。

软中断：用于高频、低延迟的任务，不能睡眠。

任务队列：基于软中断的简化机制，适合中等频率的任务，不能睡眠。

工作队列：用于低频、可能阻塞的任务，可以睡眠。

特性	软中断（Softirq）	任务队列（Tasklets）	工作队列（Workqueues）
执行上下文	中断上下文或 ksoftirqd	软中断上下文	进程上下文
能否睡眠	不能	不能	可以
优先级	最高	中等	最低
适用场景	高频、低延迟任务	中等频率任务	低频、可能阻塞的任务
示例	网络数据包处理	USB中断处理	文件系统操作

如何查看软中断

/proc/softirqs：查看每种软中断的触发次数。

mpstat：查看软中断占用的 CPU 时间百分比。

top：实时查看软中断负载。

perf：详细分析软中断的性能。

dstat：多功能监控工具，查看软中断负载。

sar：查看软中断负载的历史记录。

/proc/interrupts：查看硬件中断的触发次数（与软中断相关）。

查看软中断：