鸿蒙内核源码分析(调度机制篇)

提示：本文基于开源鸿蒙内核分析，官方源码【kernel_liteos_a】官方文档【docs】参考文档【Huawei LiteOS】
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本文分析任务调度机制源码详见:../kernel/base/sched/sched_sq/los_sched.c

建议先阅读

请读懂内核最美函数 OsGetTopTask()

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以便对本文任务调度机制的理解。

为什么学一个东西要学那么多的概念？

鸿蒙的内核中 Task 和线程在广义上可以理解为是一个东西，但狭义上肯定会有区别，区别在于管理体系的不同，Task是调度层面的概念，线程是进程层面概念。比如 main() 函数中首个函数 OsSetMainTask(); 就是设置启动任务，但此时啥都还没开始呢，Kprocess 进程都没创建，怎么会有大家一般意义上所理解的线程呢。狭义上的后续有鸿蒙内核源码分析(启动过程篇) 来说明。不知道大家有没有这种体会，学一个东西的过程中要接触很多新概念，尤其像 Java/android 的生态，概念贼多，很多同学都被绕在概念中出不来，痛苦不堪。那问题是为什么需要这么多的概念呢？

举个例子就明白了：

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。

那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。你说呢？

那在内核的调度层面，咱们就说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。

调度的内容已经有了，那他们如何有序的被调度？答案：是32个进程和线程就绪队列，各32个哈，为什么是32个，鸿蒙系统源码分析(总目录)文章里有详细说明，自己去翻。

这张进程状态迁移示意图一定要看明白，线程的状态迁移大家去官方文档看，不一一列出来，太多了占地方。

注意进程和线程都只有就绪状态的队列(阻塞线程pendlist是链表，内核并没有用队列去描述它)但有因为就绪就意味着工作都准备好了就等着CPU来执行了。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度状态流转，那是什么让调度去工作的，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。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();

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

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

里面对任务进行了扫描，调用任务调度

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。
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
最后一个是创建一个新任务后主动发起的抢占式调度
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();//*kyf 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？

以上是需要提前了解的信息，接下来直接上源码看调度过程吧，文件就三个函数，主要就是这个了：

VOID OsSchedResched(VOID)
{
    LOS_ASSERT(LOS_SpinHeld(&g_taskSpin));//*kyf 调度过程要上锁
    newTask = OsGetTopTask(); //*kyf 获取最高优先级任务
    OsSchedSwitchProcess(runProcess, newProcess);//*kyf 切换运行的进程
    (VOID)OsTaskSwitchCheck(runTask, newTask);
    OsCurrTaskSet((VOID*)newTask);//*kyf 设置当前任务
    if (OsProcessIsUserMode(newProcess)) {
        OsCurrUserTaskSet(newTask->userArea);//*kyf 运行空间
    }
    /* do the task context switch */
    OsTaskSchedule(newTask, runTask); //*kyf 切换任务上下文
}

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，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/线程归属的那个进程为当前进程
设置它为当前任务
用户模式需要设置运行空间，因为每个进程的空间是不一样的
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。

什么是任务上下文？看鸿蒙系统源码分析(总目录)其他文章，有专门的介绍。这里要说明的是在CPU的层面，它只认任务上下文！这里看不到任何代码了，因为这是跟CPU相关的，不同的CPU需要去适配不同的汇编代码，所以这些汇编代码不会出现在一个通用工程中。请留意后续鸿蒙内核源码分析(汇编指令篇)。

请读懂内核最美函数 OsGetTopTask()

最后留个作业，读懂这个笔者认为的内核最美函数，就明白了就绪队列是怎么回事了。

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
}

本篇就先写这么多吧，鸿蒙内核源码虽然文件不多，但关系及其复杂，拆解源码是件辛苦也是快乐的事，编写成文分享给大家更是件痛并快乐着的事，喜欢的就点个赞吧。谢谢支持！