當(dāng) CPU 空閑時(shí)它都在做什么？

操作系統(tǒng)行為的基本原理是，在任何一個(gè)給定的時(shí)刻，在一個(gè) CPU 上有且只有一個(gè)任務(wù)是活動(dòng)的。但是，如果 CPU 無(wú)事可做的時(shí)候，又會(huì)是什么樣的呢？

事實(shí)證明，這種情況是非常普遍的，對(duì)于絕大多數(shù)的個(gè)人電腦來(lái)說(shuō)，這確實(shí)是一種常態(tài)：大量的睡眠進(jìn)程，它們都在等待某種情況下被喚醒，差不多在 100% 的 CPU 時(shí)間中，都處于虛構(gòu)的“空閑任務(wù)”中。事實(shí)上，如果一個(gè)普通用戶的 CPU 處于持續(xù)的繁忙中，它可能意味著有一個(gè)錯(cuò)誤、bug、或者運(yùn)行了惡意軟件。

因?yàn)槲覀儾荒苓`反我們的原理，一些任務(wù)需要在一個(gè) CPU 上激活。首先是因?yàn)?，這是一個(gè)良好的設(shè)計(jì)：持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間去遍歷內(nèi)核，檢查是否有一個(gè)活動(dòng)任務(wù)，這種特殊情況是不明智的做法。最好的設(shè)計(jì)是沒(méi)有任何例外的情況。無(wú)論何時(shí)，你寫(xiě)一個(gè) if 語(yǔ)句，Nyan Cat 就會(huì)喵喵喵。其次，我們需要使用空閑的 CPU 去做一些事情，讓它們充滿活力，你懂得，就是創(chuàng)建天網(wǎng)計(jì)劃唄。

因此，保持這種設(shè)計(jì)的連續(xù)性，并領(lǐng)先于那些邪惡計(jì)劃一步，操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建了一個(gè)空閑任務(wù)，當(dāng)沒(méi)有其它任務(wù)可做時(shí)就調(diào)度它去運(yùn)行。我們可以在 Linux 的 引導(dǎo)過(guò)程 中看到，這個(gè)空閑任務(wù)就是進(jìn)程 0，它是由計(jì)算機(jī)打開(kāi)電源時(shí)運(yùn)行的第一個(gè)指令直接派生出來(lái)的。它在 rest_init 中初始化，在 init_idle_bootup_task 中初始化空閑調(diào)度類scheduling class。

簡(jiǎn)而言之，Linux 支持像實(shí)時(shí)進(jìn)程、普通用戶進(jìn)程等等的不同調(diào)度類。當(dāng)選擇一個(gè)進(jìn)程變成活動(dòng)任務(wù)時(shí)，這些類按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行查詢。通過(guò)這種方式，核反應(yīng)堆的控制代碼總是優(yōu)先于 web 瀏覽器運(yùn)行。盡管在通常情況下，這些類返回 NULL，意味著它們沒(méi)有合適的任務(wù)需要去運(yùn)行 —— 它們總是處于睡眠狀態(tài)。但是空閑調(diào)度類，它是持續(xù)運(yùn)行的，從不會(huì)失?。核偸欠祷乜臻e任務(wù)。

好吧，我們來(lái)看一下這個(gè)空閑任務(wù)到底做了些什么。下面是 cpu_idle_loop，感謝開(kāi)源能讓我們看到它的代碼：

cpu_idle_loop

我省略了很多的細(xì)節(jié)，稍后我們將去了解任務(wù)切換，但是，如果你閱讀了這些源代碼，你就會(huì)找到它的要點(diǎn)：由于這里不需要重新調(diào)度（即改變活動(dòng)任務(wù)），它一直處于空閑狀態(tài)。以所經(jīng)歷的時(shí)間來(lái)計(jì)算，這個(gè)循環(huán)和其它操作系統(tǒng)中它的“堂兄弟們”相比，在計(jì)算的歷史上它是運(yùn)行的最多的代碼片段。對(duì)于 Intel 處理器來(lái)說(shuō)，處于空閑狀態(tài)意味著運(yùn)行著一個(gè) halt 指令：

native_halt

hlt 指令停止處理器中的代碼執(zhí)行，并將它置于 halt 的狀態(tài)。奇怪的是，全世界各地?cái)?shù)以百萬(wàn)計(jì)的 Intel 類的 CPU 們花費(fèi)大量的時(shí)間讓它們處于 halt 的狀態(tài)，甚至它們?cè)谕姷臅r(shí)候也是如此。這并不是高效、節(jié)能的做法，這促使芯片制造商們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)處理器的深度睡眠狀態(tài)，以帶來(lái)著更少的功耗和更長(zhǎng)休眠時(shí)間。內(nèi)核的 cpuidle 子系統(tǒng) 是這些節(jié)能模式能夠產(chǎn)生好處的原因。

現(xiàn)在，一旦我們告訴 CPU 去 halt（睡眠）之后，我們需要以某種方式讓它醒來(lái)。如果你讀過(guò) 上篇文章《你的操作系統(tǒng)什么時(shí)候運(yùn)行？》 ，你可能會(huì)猜到中斷會(huì)參與其中，而事實(shí)確實(shí)如此。中斷促使 CPU 離開(kāi) halt 狀態(tài)返回到激活狀態(tài)。因此，將這些拼到一起，下圖是當(dāng)你閱讀一個(gè)完全呈現(xiàn)的 web 網(wǎng)頁(yè)時(shí)，你的系統(tǒng)主要做的事情：

除定時(shí)器中斷外的其它中斷也會(huì)使處理器再次發(fā)生變化。如果你再次點(diǎn)擊一個(gè) web 頁(yè)面就會(huì)產(chǎn)生這種變化，例如：你的鼠標(biāo)發(fā)出一個(gè)中斷，它的驅(qū)動(dòng)會(huì)處理它，并且因?yàn)樗a(chǎn)生了一個(gè)新的輸入，突然進(jìn)程就可運(yùn)行了。在那個(gè)時(shí)刻， need_resched() 返回 true，然后空閑任務(wù)因你的瀏覽器而被踢出而終止運(yùn)行。

如果我們呆呆地看著這篇文章，而不做任何事情。那么隨著時(shí)間的推移，這個(gè)空閑循環(huán)就像下圖一樣：

在這個(gè)示例中，由內(nèi)核計(jì)劃的定時(shí)器中斷會(huì)每 4 毫秒發(fā)生一次。這就是滴答tick周期。也就是說(shuō)每秒鐘將有 250 個(gè)滴答，因此，這個(gè)滴答速率（頻率）是 250 Hz。這是運(yùn)行在 Intel 處理器上的 Linux 的典型值，而其它操作系統(tǒng)喜歡使用 100 Hz。這是由你構(gòu)建內(nèi)核時(shí)在 CONFIG_HZ 選項(xiàng)中定義的。

對(duì)于一個(gè)空閑 CPU 來(lái)說(shuō)，它看起來(lái)似乎是個(gè)無(wú)意義的工作。如果外部世界沒(méi)有新的輸入，在你的筆記本電腦的電池耗盡之前，CPU 將始終處于這種每秒鐘被喚醒 250 次的地獄般折磨的小憩中。如果它運(yùn)行在一個(gè)虛擬機(jī)中，那我們正在消耗著宿主機(jī) CPU 的性能和寶貴的時(shí)鐘周期。

在這里的解決方案是 動(dòng)態(tài)滴答，當(dāng) CPU 處于空閑狀態(tài)時(shí)，定時(shí)器中斷被 暫?；蛑赜?jì)劃，直到內(nèi)核知道將有事情要做時(shí)（例如，一個(gè)進(jìn)程的定時(shí)器可能要在 5 秒內(nèi)過(guò)期，因此，我們不能再繼續(xù)睡眠了），定時(shí)器中斷才會(huì)重新發(fā)出。這也被稱為無(wú)滴答模式。

最后，假設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)中你有一個(gè)活動(dòng)進(jìn)程，例如，一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的 CPU 密集型任務(wù)。那樣幾乎就和一個(gè)空閑系統(tǒng)是相同的：這些示意圖仍然是相同的，只是將空閑任務(wù)替換為這個(gè)進(jìn)程，并且相應(yīng)的描述也是準(zhǔn)確的。在那種情況下，每 4 毫秒去中斷一次任務(wù)仍然是無(wú)意義的：它只是操作系統(tǒng)的性能抖動(dòng)，甚至?xí)鼓愕墓ぷ髯兊酶?。Linux 也可以在這種單一進(jìn)程的場(chǎng)景中停止這種固定速率的滴答，這被稱為 自適應(yīng)滴答 模式。最終，這種固定速率的滴答可能會(huì) 完全消失。

對(duì)于閱讀一篇文章來(lái)說(shuō)，CPU 基本是無(wú)事可做的。內(nèi)核的這種空閑行為是操作系統(tǒng)難題的一個(gè)重要部分，并且它與我們看到的其它情況非常相似，因此，這將幫助我們理解一個(gè)運(yùn)行中的內(nèi)核。