基于Linux內核的操作系統進程調度教學方法研究

邱煜炎

摘要：進程管理是操作系統課程的核心，而進程調度是進程管理理論的教學重點.如果不能將理論與真實操作系統相結合，學生很難掌握各種調度算法的應用背景和運行原理.筆者通過剖析Linux內核源碼，采用探索啟發式教學方法，引入進程調度應用于Linux操作系統的真實案例，使學生真切感知實際操作系統中進程調度的運行機理.并且通過修改內核源代碼改進調度算法，使學生加強對調度算法理論的深入理解，從而提高學生對操作系統課程學習的積極性及分析解決問題的能力.

關鍵詞：操作系統;進程調度;Linux內核;教學方法

中圖分類號：G642.0? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0063-03

1 引言

操作系統是計算機科學與技術專業的專業核心課，該課程對其他專業課程起著承上啟下的作用.課程主要內容涵蓋進程管理、進程調度與死鎖、存儲器管理、設備管理、文件管理、操作系統接口等[1].由于操作系統課程理論性強，知識點龐雜從而導致學生對本門課程的學習熱情明顯不高.基于此，筆者嘗試通過剖析Linux內核源碼去闡述進程調度的運行機制[2]，采用探索啟發式教學方法，讓學生充分感知真實操作系統軟件的設計思路，真正讓理論落地于實際，從而提高學生對操作系統課程的學習熱情.

在Linux內核版本的選擇上，最新穩定版（4.15.15）由于代碼量太過龐大（1400萬行）[3]，學生很難梳理其架構與脈絡，對代碼剖析更是無從下手，由此產生了畏懼和排斥.0.11版發行于20世紀90年代，雖年代久遠但具備了現代操作系統的基本功能，如多用戶多任務、中斷并發、同步互斥等，而代碼量也只有一萬四千行（不包含注釋）.為了深入理解進程調度算法以及增強學生對內核源碼解讀的代入感，筆者最終選擇0.11版Linux內核作為操作系統課程的教學資源.

針對課程設置，筆者結合多年的操作系統教學經驗，將進程調度教學環節規劃為四大部分：一、進程調度概述，讓學生對進程調度概念有一個大致的了解;二、進程調度步驟宏觀解讀，通過引入Linux實例展示其進程調度的基本步驟;三、進程調度機制微觀探索，通過分析schedule函數源代碼，讓同學了解真實操作系統中進程調度算法的核心內容;四、調度算法優化實踐，通過改進源代碼，提升操作系統內核多進程調度質量，使學生對進程調度算法的解讀得到升華.

2 進程調度概述

進程調度的基本內容，包括進程調度的基本概念、進程調度的目標、進程調度算法以及各種算法的應用場景.進程調度的主要算法有：先來先服務算法、短作業優先算法、靜/動態優先級算法、時間片輪轉法等.評估算法的指標有CPU的運行效率、進程運行公平性、響應及時性、內存吞吐量等幾方面因素.

上述提及的這些目標不可兼備，在講授這些指標性能取舍問題時，筆者利用各種真實操作系統進行列舉，如UNIX采用動態優先數調度、BSD采用多級反饋隊列調度、Windows采用搶先式多任務調度等[4].通過舉例，讓學生對調度算法不同的應用場景有一個感性的認識.

3 進程調度步驟宏觀解讀

為了讓同學了解0.11版Linux內核進程調度的運行機理，在宏觀上筆者基于主要源文件對進程調度的步驟進行解讀，如圖1所示：

通過此結構圖，學生可以了解到主程序文件（main.c）對進程調度進行了初始化操作，即執行shed_init（）函數.而調用的sched_init（）函數來自進程調度程序文件（sched.c），此時筆者要強調sched.c文件的重要作用，因為這是進程調度的核心.同時，作為進程調度的依據，進程控制塊PCB源自頭文件sched.h中的task_struct結構體.操作系統利用中斷使用戶態切換至內核態，因此要設置中斷門（set_intr_gate），執行時鐘中斷處理指令（_timer_interrupt）.在中斷處理指令中調用了do_timer函數，此函數執行時間片輪轉.最后，利用sched.c文件中的進程調度函數schedule（），引出進程調度的核心算法.

經過以上步驟的解讀，學生大致了解了0.11版Linux內核進程調度的基本流程，即操作系統通過時間片時鐘中斷語句，以進程調度算法為依據對下一個進程進行調度處理.

4 進程調度機制微觀探索

進程調度的實現應具備三個基本機制，分別是進程隊列，進程分派程序和上下文切換機制[5].筆者分別針對三大模塊實現的核心代碼，引導學生進行逐層剖析.

4.1 進程隊列

首先將調度進程頭文件sched.h作為切入點，此文件主要包含進程控制塊task_struct結構體.而進程隊列的實現是由結構體數組構成，通過剛才提及的進程調度核心文件sched.c中第65行代碼可以進行例證，核心代碼如下：

struct task_struct *task[NR_TASKS];

4.2 進程分派程序

進程分派的核心是選擇進程，而選擇的依據是task_struct結構體，涉及counter和priority兩個元素，分別表示任務運行時間片和運行優先數.當定義好結構體后，程序又以宏定義的方式對結構體元素進行了初始化操作（#define INIT_TASK），其中counter和priority的初始值都設置為15.基于以上的描述，學生意識到0.11版Linux內核對每個新進程都以相同的時間片和優先數進行初始化配置.

其次，要深入解讀sched.c文件的scedule（）函數，這是進程調度的核心.這部分代碼根據進程的時間片和優先權調度機制，來選擇隨后要執行的任務.它首先循環檢查進程控制塊數組中的所有進程，根據每個就緒態任務剩余執行時間的值counter，選取該值最大的一個任務，并利用switch_to（）函數切換到該任務[6].核心代碼如下：

每當選擇出一個新的可運行進程時，schedule（）函數就會調用定義在include/asm/system.h中的switch_to（）宏執行實際進程切換操作.該宏利用匯編語句把CPU的當前進程狀態（上下文）替換成新進程的狀態.筆者通過圖的方式對其過程進行了解讀，學生對操作系統控制CPU進行進程切換有了直觀的認識，如圖2所示：

5 調度算法優化實踐

現代分時操作系統中，目前公認的一種較好的進程調度算法是采取多級反饋隊列調度算法，如圖3所示.

基于此，筆者優化了0.11版Linux內核調度算法，即將授課過程中涉及的程序文件進行代碼修改，并編譯運行內核，達到進程調度的預期效果.在此教學過程中，學生們即感受到多級反饋調度的優勢，也加強了解讀內核源代碼的能力.

6 小結

進程調度是操作系統課程的重點和難點，筆者嘗試通過解讀Linux內核源代碼，并運用探索啟發式教學方法，讓學生生動理解操作系統進程調度的過程.在操作系統課程體系的其他環節，也可以嘗試引入Linux內核源代碼作為教學參考資料，真正做到理論聯系實際，從而提高學生主動實踐、積極探索、終身學習的能力.

參考文獻：

〔1〕羅嬌敏.操作系統進程同步和互斥教學方法研究[J].教育教學論壇，2017（44）：255-256.

〔2〕吳淑泉.高校“Linux操作系統”課程教學研究與探索[J].教育理論與實踐，2017（33）：57-58.

〔3〕Latest Stable Kernel.[EB/OL].https：//www.kernel.org/pub.

〔4〕陳莉君，康華.Linux操作系統原理與應用（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2016.64-65.

〔5〕湯小丹，梁紅兵.計算機操作系統（第3版）[M].陜西：西安電子科技大學出版社，2012.86-87.

〔6〕趙炯.Linux內核完全注釋[M].北京：機械工業出版社，2017.92-97.

〔7〕趙炯.Linux內核完全剖析[M].北京：機械工業出版社，2017.130.