Недавно, в процессе работы, я столкнулся с задачей управления шедулерами в работающем приложении. У нас серверное приложение, и в конфигурационных файлах Spring мы указывали, какие задачи запускать по таймеру. Однако, далее появилась следующая задача: убирать из списка выполнения эти задачи или же менять cron-таймер, при этом не тормозя приложение.
В процессе гугления и чтения, я нашел, как это сделать. Всё оказалось гораздо проще, чем я думал. Но для того, чтобы это понять пришлось немного почитать.
Вероятно, эта статья будет полезна новичкам, но, возможно, и мастодонты почерпнут для себя что-то новое.

Эта статья не имеет смысла без предыдущей, в которой описывались основные механизмы переключения контекстов в многозадачной ОС.

Здесь я расскажу, как кооперативная многозадачность превращается во враждебную преемптивную.

Суть этого превращения проста. В машине есть таймер, таймер генерирует прерывания, прерывания приостанавливают код нити и отдают процессор в руки механизма многозадачности. Оный уже вполне кооперативно переключает процессор на новую нить, как и описано в предыдущей статье.

Но, как обычно, есть нюансы. См. код для интела.

Сам «отъём» процессора делается как в рамках обычного хардверного прерывания, обычно — по таймеру, так и в рамках «софтверного» прерывания — которое, собственно, такое же прерывание, но вызванное специальной инструкцией процессора. Такой способ переключения контекста нужен, если мы (например, в рамках примитива синхронизации) явно останавливаем нить и не хотим ждать, пока прилетит таймерное прерывание.

См. две другие статьи этой группы — Делаем многозадачность и Преемптивность: как отнять процессор.

Сразу просьба к строгим читателям. Если вы не поняли какой-либо термин из применённых — спросите, я подскажу, что я имел в виду. А если вам нравится другое написание или перевод этого термина — укажите его в комментарии. Я применяю те, которые нравятся мне.

Итак, в прошлых статьях описан механизм реализации многозадачности за вычетом планировщика, он же шедулер, он же скедулер, он же Васька меченый, сорри, заговариваюсь я с этими терминами…

Как я уже говорил, шедулер — это просто функция, которая отвечает на вопрос: какую нить и на сколько времени поставить на процессор.

Кстати, в SMP системе шедулер ничем не отличается от однопроцессорного. Вообще, чтобы проще понимать структуру взаимодействия сущностей на одном и нескольких процессорах, проще всего представить себе следующую модель: для каждого процессора есть нить «простоя» (которая работает, если вообще больше некому и просто останавливае процессор до прерывания), которая постоянно пытается «отдать» процессор (которым она как бы владеет) другим нитям, выбирая нить с помощью шедулера.

Говоря о шедулере нельзя не сказать о приоритетах.

Приоритет — свойство нити (или процесса) влияющее на конкуренцию этой нити с другими нитями за процессор.

Приоритет обычно описывается парой <класс приоритета, значение приоритета внутри класса>.

В последние пару лет я занимаюсь построением различных планировщиков, и мне пришло в голову поделиться своим нелёгким опытом с коллегами. Речь идёт о двух категориях коллег. Первые — это желающие узнать, как разработать свой scheduler за 21 день. Вторые — те, кому нужен новый scheduler совсем без смс и регистрации, просто чтобы работал. Особенно хотелось бы помочь второй категории людей.



Сначала, как водится, стоит сказать несколько общих слов. Что такое scheduler (планировщик, или, для простоты, «шедулер»)? Это такая компонента системы, которая занимается распределением ресурса или ресурсов системы по потребителям. Разделение ресурса может происходить в двух измерениях: в пространстве и времени. Планировщики чаще всего фокусируются на втором измерении. Обычно под ресурсом подразумевают процессор, диск, память и сеть. Но, что греха таить, шедулить можно и любую виртуальную ерунду. Конец общих слов.

В прошлые выходные, изучая интересные факты об аппаратном переключателе контекста 80386, я вдруг вспомнил, что первые версии ядра Linux полагались именно на него. И я погрузился в код, который не видел уже много лет. Сейчас я решил описать это чудесное путешествие по истории Linux. Я покажу все самородки и забавные артефакты, которые нашёл по пути.

Задача: проследить, как изменялось переключение контекста в ядре Linux от первой (0.01) до последней версии LTS (4.14.67), с особым акцентом на первую и последнюю версии.

Мы в поте лица готовим очередную мажорную версию Tokio, асинхронной среды выполнения для Rust. 13 октября для слияния в ветку оформлен пул-реквест с полностью переписанным планировщиком задач. Результатом станет огромное улучшение производительности и уменьшение задержки. В некоторых тестах зафиксировано десятикратное ускорение! Как обычно, синтетические тесты не отражают фактическую выгоду в реальности. Поэтому мы также проверили, как изменения в планировщике повлияли на настоящие задачи, такие как Hyper и Tonic (спойлер: результат замечательный).

Готовясь к работе над новым планировщиком, я потратил время на поиск тематических ресурсов. Кроме фактических реализаций, особо ничего не нашлось. Я также обнаружил, что в исходниках существующих реализаций трудно ориентироваться. Чтобы исправить это, мы постарались написать шедулер Tokio как можно более чисто. Надеюсь, эта подробная статья о реализации планировщика поможет тем, кто находится в том же положении и безуспешно ищет информацию на эту тему.

Статья начинается с высокоуровневого обзора дизайна, в том числе политик захвата работы. Затем погрузимся в детали конкретных оптимизаций в новом планировщике Tokio.