กระบวนการ CPU ที่ไม่ทำงานทำอะไร

ดูที่แหล่งที่มาของstraceฉันพบการใช้ธงโคลนCLONE_IDLETASKซึ่งอธิบายไว้ที่นั่น:

#define CLONE_IDLETASK 0x00001000 /* kernel-only flag */

หลังจากมองลึกลงไปฉันพบว่าแม้ว่าแฟล็กนั้นจะไม่ครอบคลุมในman cloneนั้นจะถูกใช้โดยเคอร์เนลในระหว่างกระบวนการบูตเพื่อสร้างกระบวนการว่าง (ซึ่งทั้งหมดควรมี PID 0) สำหรับแต่ละ CPU บนเครื่อง เช่นเครื่องที่มี 8 CPUs จะมีอย่างน้อย 7 (ดูคำถามด้านล่าง) กระบวนการดังกล่าว "กำลังทำงาน" (เครื่องหมายคำพูด)

ตอนนี้สิ่งนี้ทำให้ฉันมีคำถามสองสามข้อเกี่ยวกับกระบวนการ "ว่าง" ที่ทำจริง ๆ ข้อสันนิษฐานของฉันคือมันประมวลผลการดำเนินการ NOP อย่างต่อเนื่องจนกว่ากรอบเวลาจะสิ้นสุดลงและเคอร์เนลจะกำหนดกระบวนการจริงให้เรียกใช้หรือกำหนดกระบวนการว่างอีกครั้ง (หากไม่ได้ใช้งาน CPU) กระนั้นนั่นก็เป็นการคาดเดาที่สมบูรณ์ ดังนั้น:

1. บนเครื่องที่มี 8 ซีพียู 7 กระบวนการที่ไม่ได้ใช้งานจะถูกสร้างขึ้นหรือไม่? (และ CPU หนึ่งตัวจะถูกเก็บไว้โดยเคอร์เนลเองในขณะที่ไม่มีการทำงานของ userspace?)

2. กระบวนการที่ไม่ได้ใช้งานเป็นเพียงแค่กระแสการดำเนินการ NOP ที่ไม่สิ้นสุดจริงๆ (หรือลูปที่ทำเช่นเดียวกัน)

3. การใช้งาน CPU (พูดuptime) คำนวณโดยเพียงแค่ว่ากระบวนการว่างบน CPU นานแค่ไหนและไม่ได้อยู่ในช่วงระยะเวลาหนึ่งหรือไม่

_{ป.ล. มีโอกาสที่คำถามจำนวนมากนี้เกิดจากความจริงที่ว่าฉันไม่เข้าใจวิธีการทำงานของ CPU อย่างสมบูรณ์ เช่นฉันเข้าใจการชุมนุมเวลาและการขัดจังหวะ แต่ฉันไม่ทราบว่าตัวอย่างเช่น CPU อาจใช้พลังงานมากขึ้นหรือน้อยลงขึ้นอยู่กับสิ่งที่กำลังดำเนินการ ฉันจะขอบคุณถ้ามีคนสามารถสอนฉันด้วยที่}

งานไม่ได้ใช้งานใช้สำหรับบัญชีกระบวนการและยังลดการใช้พลังงาน ใน Linux งานว่างหนึ่งงานจะถูกสร้างขึ้นสำหรับตัวประมวลผลทุกตัวและถูกล็อกไว้กับตัวประมวลผลนั้น เมื่อใดก็ตามที่ไม่มีกระบวนการอื่นให้ทำงานบน CPU นั้นงานว่างจะถูกกำหนดไว้ เวลาที่ใช้ในงานที่ไม่ได้ใช้งานปรากฏเป็นเวลา“ว่าง” topในเครื่องมือเช่น (การคำนวณสถานะการออนไลน์แตกต่างกัน)

ดูเหมือนว่ายูนิกซ์จะมีวงรอบที่ไม่ได้ใช้งานอยู่เสมอ (แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นงานว่างจริงดูคำตอบของ Gilles ) และแม้แต่ใน V1 ก็ใช้WAITคำสั่งที่หยุดโปรเซสเซอร์จนกว่าจะเกิดการขัดจังหวะ (มันรอ " ขัดจังหวะ”) ระบบปฏิบัติการอื่น ๆ บางระบบใช้ลูปไม่ว่าง, DOS, OS / 2และ Windows รุ่นแรก ๆ โดยเฉพาะ เป็นเวลานานแล้วที่ซีพียูใช้คำสั่ง“ รอ” แบบนี้เพื่อลดการใช้พลังงานและการผลิตความร้อน คุณสามารถเห็นการใช้งานที่หลากหลายของงานที่ไม่ได้ทำงานตัวอย่างเช่นในarch/x86/kernel/process.cเคอร์เนล Linux: งานพื้นฐานเพียงแค่เรียกHLTซึ่งจะหยุดโปรเซสเซอร์จนกว่าจะเกิดการขัดจังหวะ (และเปิดใช้งานโหมดประหยัดพลังงาน C1) การใช้งานอื่น ๆ จะจัดการข้อบกพร่องหรือความไร้ประสิทธิภาพต่าง ๆ ( เช่นใช้MWAITแทนHLTซีพียูบางตัว)

ทั้งหมดนี้แยกออกจากสถานะว่างในกระบวนการเมื่อพวกเขารอเหตุการณ์ (I / O ฯลฯ )

ในการออกแบบตำราเรียนของตัวกำหนดตารางเวลากระบวนการหากตัวกำหนดตารางเวลาไม่มีกระบวนการใด ๆ ที่จะจัดตารางเวลา (เช่นถ้ากระบวนการทั้งหมดถูกบล็อกรอการป้อนข้อมูล) ตัวจัดตารางเวลาจะรอการขัดจังหวะตัวประมวลผล การขัดจังหวะอาจบ่งบอกถึงการป้อนข้อมูลจากอุปกรณ์ต่อพ่วง (การกระทำของผู้ใช้แพ็คเก็ตเครือข่ายการอ่านที่สมบูรณ์จากดิสก์ ฯลฯ ) หรืออาจเป็นการขัดจังหวะตัวจับเวลาที่ทริกเกอร์ตัวจับเวลาในกระบวนการ

ตัวกำหนดตารางเวลาของ Linux ไม่มีรหัสพิเศษสำหรับกรณีที่ไม่มีอะไรทำ แต่จะเข้ารหัสกรณีที่ไม่มีสิ่งที่ต้องทำเป็นกระบวนการพิเศษซึ่งเป็นกระบวนการว่าง กระบวนการว่างจะได้รับการกำหนดเวลาเฉพาะเมื่อไม่มีกระบวนการอื่นที่สามารถกำหนดตารางเวลาได้ (จะมีลำดับความสำคัญต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ) กระบวนการว่างในความเป็นจริงเป็นส่วนหนึ่งของเคอร์เนล: มันเป็นเคอร์เนลเธรดเช่นเธรดที่ดำเนินการรหัสในเคอร์เนลมากกว่ารหัสในกระบวนการ (แม่นยำยิ่งขึ้นมีเธรดหนึ่งเธรดสำหรับแต่ละ CPU) เมื่อกระบวนการไม่ได้ทำงานจะดำเนินการตามขั้นตอนการรอการขัดจังหวะ

วิธีการรอขัดจังหวะการทำงานขึ้นอยู่กับความสามารถของโปรเซสเซอร์ ด้วยการออกแบบโปรเซสเซอร์ขั้นพื้นฐานที่สุดนั่นเป็นเพียงลูปที่วุ่นวาย -

nothing:
    goto nothing

โปรเซสเซอร์ยังคงรันคำสั่งสาขาตลอดไปซึ่งไม่ประสบความสำเร็จ ระบบปฏิบัติการสมัยใหม่ส่วนใหญ่จะไม่ทำสิ่งนี้จนกว่าพวกเขาจะทำงานบนโปรเซสเซอร์ที่ไม่มีอะไรดีกว่าและโปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่มีบางสิ่งที่ดีกว่า แทนที่จะใช้พลังงานโดยไม่ทำอะไรเลยนอกจากให้ความร้อนแก่ห้อง แต่ควรปิดโปรเซสเซอร์ ดังนั้นเคอร์เนลจึงเรียกใช้โค้ดที่สั่งให้โปรเซสเซอร์ปิดตัวเองหรืออย่างน้อยก็ปิดโปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ จะต้องมีชิ้นส่วนเล็ก ๆ อย่างน้อยหนึ่งตัวที่เปิดทำงานอยู่ตัวควบคุมการขัดจังหวะ เมื่ออุปกรณ์ต่อพ่วงทำให้เกิดการขัดจังหวะตัวควบคุมการขัดจังหวะจะส่งสัญญาณปลุกไปยังตัวประมวลผลหลัก (ส่วนหนึ่งของ)

ในทางปฏิบัติซีพียูสมัยใหม่เช่น Intel / AMD และ ARM มีการตั้งค่าการจัดการพลังงานที่ซับซ้อนมากมาย ระบบปฏิบัติการสามารถประมาณระยะเวลาที่โปรเซสเซอร์จะอยู่ในโหมดว่างและจะเลือกโหมดพลังงานต่ำที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ โหมดมีการประนีประนอมระหว่างการใช้พลังงานในขณะที่ไม่ได้ใช้งานและเวลาที่ใช้ในการเข้าและออกจากโหมดไม่ได้ใช้งาน ในโปรเซสเซอร์บางตัวระบบปฏิบัติการยังสามารถลดอัตรานาฬิกาของโปรเซสเซอร์เมื่อพบว่ากระบวนการไม่ใช้เวลา CPU มากนัก

ไม่งานว่างไม่ได้วนรอบ CPU ตัวกำหนดตารางเวลาไม่ได้เลือกกระบวนการที่ไม่ทำงานสำหรับการดำเนินการ กระบวนการว่างกำลังรอเหตุการณ์บางอย่างเกิดขึ้นเพื่อให้สามารถดำเนินการต่อได้ ตัวอย่างเช่นสามารถรออินพุตในการread()โทรของระบบ

โดยวิธีการเคอร์เนลไม่ใช่กระบวนการแยกต่างหาก รหัสเคอร์เนลจะถูกดำเนินการเสมอในบริบทของกระบวนการ (ดียกเว้นในกรณีพิเศษของเคอร์เนลเธรด) ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะพูดว่า "และ CPU หนึ่งตัวจะถูกเก็บไว้โดยเคอร์เนลเองในขณะที่ไม่มีการทำงานของ userpace"