Mise en veille et réveil des processus Linux : rendez votre système plus économe en énergie et plus efficace

Le système Linux est un système d'exploitation qui prend en charge l'exécution simultanée de tâches multiples. Il peut exécuter plusieurs processus en même temps, améliorant ainsi l'utilisation et l'efficacité du système. Cependant, tous les processus n'ont pas besoin d'occuper les ressources du processeur en permanence. Certains processus peuvent abandonner temporairement le processeur dans certaines conditions, entrer en état de veille, attendre que les conditions soient remplies, puis se réveiller et poursuivre l'exécution. L'avantage de ceci est que cela peut économiser les ressources du processeur et donner plus d'opportunités aux autres processus qui doivent être exécutés. Cela peut également réduire la consommation d'énergie et la chaleur du système et améliorer la stabilité et la durée de vie du système. Cet article présentera les méthodes de mise en veille et de réveil des processus dans les systèmes Linux, y compris les raisons de mise en veille, les types de mise en veille, les fonctions de mise en veille, les fonctions de réveil et les mécanismes de réveil du processus.

Bien sûr, un processus peut également libérer activement le contrôle du CPU. La fonction planning() est une fonction de planification qui peut être activement appelée par un processus pour planifier d'autres processus afin qu'ils occupent le processeur. Une fois que le processus qui abandonne volontairement le CPU est reprogrammé pour occuper le CPU, il commencera l'exécution là où il s'est arrêté pour la dernière fois, c'est-à-dire qu'il commencera l'exécution à partir de la ligne de code suivante qui appelle planning().
Parfois, un processus doit attendre qu'un événement spécifique se produise, tel que l'initialisation du périphérique, la fin d'une opération d'E/S ou l'expiration du minuteur. Dans ce cas, le processus doit être supprimé de la file d'attente d'exécution et ajouté à une file d'attente. À ce moment, le processus entre en état de veille.

Classification de l'état de veille des processus sous Linux

L'un est l'état de veille interruptible, son indicateur d'état est TASK_INTERRUPTIBLE ; L'autre est un état de veille ininterrompue et son indicateur d'état est TASK_UNINTERRUPTIBLE. Un processus en état de veille interruptible dormira jusqu'à ce qu'une certaine condition devienne vraie. Par exemple, générer une interruption matérielle, libérer les ressources système que le processus attend ou délivrer un signal peuvent être les conditions pour réveiller le processus. L'état de sommeil ininterrompu est similaire à l'état de sommeil interruption, mais il a une exception, c'est-à-dire que le processus qui délivre le signal à cet état de sommeil ne peut pas changer son état, c'est-à-dire qu'il ne répond pas au signal de réveil. L'état de veille ininterrompue est généralement moins utilisé, mais il reste très utile dans certaines situations spécifiques. Par exemple, le processus doit attendre et ne peut être interrompu qu'après qu'un événement spécifique se produise.
Dans les systèmes d'exploitation Linux modernes, les processus entrent généralement en état de veille en appelant planning(). Le code suivant exécute
. montre comment mettre en veille un processus en cours d'exécution.

sleeping_task = current;
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
schedule();
func1();
/* Rest of the code ... */

Dans la première instruction, le programme stocke un pointeur de structure de processus sleep_task, current est une macro qui pointe vers l'exécution en cours

structure du processus. set_current_state() change l'état du processus de l'état d'exécution TASK_RUNNING à l'état de veille
TASK_INTERRUPTIBLE. Si planning() est planifié par un processus dans l'état TASK_RUNNING, alors planning() planifiera un autre processus pour occuper le CPU ; si planning() est planifié par un processus dans l'état TASK_INTERRUPTIBLE ou TASK_UNINTERRUPTIBLE, alors il y a une étape supplémentaire pour En cours d'exécution : le processus en cours d'exécution sera supprimé de la file d'attente d'exécution avant qu'un autre processus ne soit planifié, ce qui entraînera la mise en veille du processus en cours car il n'est plus dans la file d'attente d'exécution.
Nous pouvons utiliser la fonction suivante pour réveiller le processus qui vient de s'endormir.
wake_up_process(sleeping_task);
Après avoir appelé wake_up_process(), le statut du processus en veille sera défini sur TASK_RUNNING et le planificateur
Il sera ajouté à la file d'attente d'exécution. Bien entendu, ce procédé ne pourra être mis en oeuvre que la prochaine fois qu'il sera programmé par l'ordonnanceur.

Réveil invalide

Dans presque tous les cas, le processus se mettra en veille après avoir vérifié certaines conditions et constaté que les conditions ne sont pas remplies. Mais parfois

Cependant, le processus commencera à dormir une fois que la condition de jugement sera vraie. Si tel est le cas, le processus dormira indéfiniment. C'est ce qu'on appelle le problème de réveil invalide. Dans le système d'exploitation, lorsque plusieurs processus tentent d'effectuer un traitement sur des données partagées et que le résultat final dépend de l'ordre dans lequel les processus sont exécutés, une condition de concurrence critique se produit. Il s'agit d'un problème typique dans le système d'exploitation. up C'est précisément à cause des conditions de concurrence.
Imaginez qu'il y ait deux processus A et B. Le processus A traite une liste chaînée. Il doit vérifier si la liste chaînée est vide. Si elle n'est pas vide, il supprimera le lien
. Les données du tableau subissent certaines opérations et le processus B ajoute également des nœuds à la liste chaînée. Lorsque la liste chaînée est vide, car il n'y a pas de données à exploiter, le processus A se met en veille. Lorsque le processus B ajoute un nœud à la liste chaînée, il réveille le processus A. Le code est le suivant :
Un processus :

1 spin_lock(&list_lock);
2 if(list_empty(&list_head)) {
3 spin_unlock(&list_lock);
4 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
5 schedule();
6 spin_lock(&list_lock);
7 }
8
9 /* Rest of the code ... */
10 spin_unlock(&list_lock);

Processus B :

100 spin_lock(&list_lock);
101 list_add_tail(&list_head, new_node);
102 spin_unlock(&list_lock);
103 wake_up_process(processa_task);

这里会出现一个问题，假如当A进程执行到第3行后第4行前的时候，B进程被另外一个处理器调度
投 入运行。在这个时间片内，B进程执行完了它所有的指令，因此它试图唤醒A进程，而此时的A进程还没有进入睡眠，所以唤醒操作无效。在这之后，A 进程继续执行，它会错误地认为这个时候链表仍然是空的，于是将自己的状态设置为TASK_INTERRUPTIBLE然后调用schedule()进入睡 眠。由于错过了B进程唤醒，它将会无限期的睡眠下去，这就是无效唤醒问题，因为即使链表中有数据需要处理，A 进程也还是睡眠了。

避免无效唤醒

如何避免无效唤醒问题呢？我们发现无效唤醒主要发生在检查条件之后和进程状态被设置为睡眠状
态之前， 本来B进程的wake_up_process()提供了一次将A进程状态置为TASK_RUNNING 的机会，可惜这个时候A进程的状态仍然是TASK_RUNNING，所以wake_up_process()将A进程状态从睡眠状态转变为运行状态的努力 没有起到预期的作用。要解决这个问题，必须使用一种保障机制使得判断链表为空和设置进程状态为睡眠状态成为一个不可分割的步骤才行，也就是必须消除竞争条 件产生的根源，这样在这之后出现的wake_up_process ()就可以起到唤醒状态是睡眠状态的进程的作用了。
找到了原因后，重新设计一下A进程的代码结构，就可以避免上面例子中的无效唤醒问题了。
A进程:

1 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
2 spin_lock(&list_lock);
3 if(list_empty(&list_head)) {
4 spin_unlock(&list_lock);
5 schedule();
6 spin_lock(&list_lock);
7 }
8 set_current_state(TASK_RUNNING);
9
10 /* Rest of the code ... */
11 spin_unlock(&list_lock);

可以看到，这段代码在测试条件之前就将当前执行进程状态转设置成TASK_INTERRUPTIBLE了，并且在链表不为空的情况下又将自己置为TASK_RUNNING状态。这样一来如果B进程在A进程进程检查
了链表为空以后调用wake_up_process()，那么A进程的状态就会自动由原来TASK_INTERRUPTIBLE
变成TASK_RUNNING，此后即使进程又调用了schedule()，由于它现在的状态是TASK_RUNNING，所以仍然不会被从运行队列中移出，因而不会错误的进入睡眠，当然也就避免了无效唤醒问题。

Linux内核的例子

在Linux操作系统中，内核的稳定性至关重要，为了避免在Linux操作系统内核中出现无效唤醒问题，
Linux内核在需要进程睡眠的时候应该使用类似如下的操作：
/* ‘q’是我们希望睡眠的等待队列 /
DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);
add_wait_queue(q, &wait);
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
/ 或TASK_INTERRUPTIBLE /
while(!condition) / ‘condition’ 是等待的条件*/
schedule();
set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(q, &wait);
上面的操作，使得进程通过下面的一系列步骤安全地将自己加入到一个等待队列中进行睡眠：首先调
用DECLARE_WAITQUEUE ()创建一个等待队列的项，然后调用add_wait_queue()把自己加入到等待队列中，并且将进程的状态设置为 TASK_INTERRUPTIBLE 或者TASK_INTERRUPTIBLE。然后循环检查条件是否为真：如果是的话就没有必要睡眠，如果条件不为真，就调用schedule()。当进程 检查的条件满足后，进程又将自己设置为TASK_RUNNING 并调用remove_wait_queue()将自己移出等待队列。
从上面可以看到，Linux的内核代码维护者也是在进程检查条件之前就设置进程的状态为睡眠状态，
然后才循环检查条件。如果在进程开始睡眠之前条件就已经达成了，那么循环会退出并用set_current_state()将自己的状态设置为就绪，这样同样保证了进程不会存在错误的进入睡眠的倾向，当然也就不会导致出现无效唤醒问题。
下面让我们用linux 内核中的实例来看看Linux 内核是如何避免无效睡眠的，这段代码出自Linux2.6的内核(linux-2.6.11/kernel/sched.c: 4254):
4253 /* Wait for kthread_stop */
4254 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
4255 while (!kthread_should_stop()) {
4256 schedule();
4257 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
4258 }
4259 __set_current_state(TASK_RUNNING);
4260 return 0;
上面的这些代码属于迁移服务线程migration_thread，这个线程不断地检查kthread_should_stop()，
直 到kthread_should_stop()返回1它才可以退出循环，也就是说只要kthread_should_stop()返回0该进程就会一直睡 眠。从代码中我们可以看出，检查kthread_should_stop()确实是在进程的状态被置为TASK_INTERRUPTIBLE后才开始执行 的。因此，如果在条件检查之后但是在schedule()之前有其他进程试图唤醒它，那么该进程的唤醒操作不会失效。

Cet article présente les méthodes de mise en veille et de réveil des processus dans les systèmes Linux, y compris la raison du sommeil, le type de sommeil, la fonction de mise en veille, la fonction de réveil et le mécanisme de réveil du processus. En comprenant et maîtrisant ces connaissances, nous pouvons mieux gérer et contrôler les processus du système Linux, rendant le système plus économe en énergie et plus efficace. Bien sûr, il existe de nombreux détails et techniques pour mettre en veille et réveiller les processus dans les systèmes Linux, qui nous obligent à continuer à apprendre et à pratiquer

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