當 CPU 空閑時它都在做什麼？

在 上篇文章中 我說了操作系統行為的基本原理是，在任何一個給定的時刻，在一個 CPU 上有且只有一個任務是活動的。但是，如果 CPU 無事可做的時候，又會是什麼樣的呢？

事實證明，這種情況是非常普遍的，對於絕大多數的個人電腦來說，這確實是一種常態：大量的睡眠進程，它們都在等待某種情況下被喚醒，差不多在 100% 的 CPU 時間中，都處於虛構的「空閑任務」中。事實上，如果一個普通用戶的 CPU 處於持續的繁忙中，它可能意味著有一個錯誤、bug、或者運行了惡意軟體。

因為我們不能違反我們的原理，一些任務需要在一個 CPU 上激活。首先是因為，這是一個良好的設計：持續很長時間去遍歷內核，檢查是否有一個活動任務，這種特殊情況是不明智的做法。最好的設計是沒有任何例外的情況。無論何時，你寫一個 if 語句，Nyan Cat 就會喵喵喵。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，就是創建天網計劃唄。

因此，保持這種設計的連續性，並領先於那些邪惡計劃一步，操作系統開發者創建了一個空閑任務，當沒有其它任務可做時就調度它去運行。我們可以在 Linux 的 引導過程 中看到，這個空閑任務就是進程 0，它是由計算機打開電源時運行的第一個指令直接派生出來的。它在 rest_init 中初始化，在 init_idle_bootup_task 中初始化空閑 調度類 scheduling class 。

簡而言之，Linux 支持像實時進程、普通用戶進程等等的不同調度類。當選擇一個進程變成活動任務時，這些類按優先順序進行查詢。通過這種方式，核反應堆的控制代碼總是優先於 web 瀏覽器運行。儘管在通常情況下，這些類返回 NULL，意味著它們沒有合適的任務需要去運行 —— 它們總是處於睡眠狀態。但是空閑調度類，它是持續運行的，從不會失敗：它總是返回空閑任務。

好吧，我們來看一下這個空閑任務到底做了些什麼。下面是 cpu_idle_loop，感謝開源能讓我們看到它的代碼：

while (1) {
    while(!need_resched()) {
        cpuidle_idle_call();
    }

    /*
    [Note: Switch to a different task. We will return to this loop when the idle task is again selected to run.]
    */
    schedule_preempt_disabled();
}

cpu_idle_loop

我省略了很多的細節，稍後我們將去了解任務切換，但是，如果你閱讀了這些源代碼，你就會找到它的要點：由於這裡不需要重新調度（即改變活動任務），它一直處於空閑狀態。以所經歷的時間來計算，這個循環和其它操作系統中它的「堂兄弟們」相比，在計算的歷史上它是運行的最多的代碼片段。對於 Intel 處理器來說，處於空閑狀態意味著運行著一個 halt 指令：

static inline void native_halt(void)
    {
    asm volatile("hlt": : :"memory");
    }

native_halt

hlt 指令停止處理器中的代碼執行，並將它置於 halt 的狀態。奇怪的是，全世界各地數以百萬計的 Intel 類的 CPU 們花費大量的時間讓它們處於 halt 的狀態，甚至它們在通電的時候也是如此。這並不是高效、節能的做法，這促使晶元製造商們去開發處理器的深度睡眠狀態，以帶來著更少的功耗和更長休眠時間。內核的 cpuidle 子系統 是這些節能模式能夠產生好處的原因。

現在，一旦我們告訴 CPU 去 halt（睡眠）之後，我們需要以某種方式讓它醒來。如果你讀過 上篇文章《你的操作系統什麼時候運行？》 ，你可能會猜到中斷會參與其中，而事實確實如此。中斷促使 CPU 離開 halt 狀態返回到激活狀態。因此，將這些拼到一起，下圖是當你閱讀一個完全呈現的 web 網頁時，你的系統主要做的事情：

除定時器中斷外的其它中斷也會使處理器再次發生變化。如果你再次點擊一個 web 頁面就會產生這種變化，例如：你的滑鼠發出一個中斷，它的驅動會處理它，並且因為它產生了一個新的輸入，突然進程就可運行了。在那個時刻， need_resched() 返回 true，然後空閑任務因你的瀏覽器而被踢出而終止運行。

如果我們獃獃地看著這篇文章，而不做任何事情。那麼隨著時間的推移，這個空閑循環就像下圖一樣：

在這個示例中，由內核計劃的定時器中斷會每 4 毫秒發生一次。這就是 滴答 tick 周期。也就是說每秒鐘將有 250 個滴答，因此，這個滴答速率（頻率）是 250 Hz。這是運行在 Intel 處理器上的 Linux 的典型值，而其它操作系統喜歡使用 100 Hz。這是由你構建內核時在 CONFIG_HZ 選項中定義的。

對於一個空閑 CPU 來說，它看起來似乎是個無意義的工作。如果外部世界沒有新的輸入，在你的筆記本電腦的電池耗盡之前，CPU 將始終處於這種每秒鐘被喚醒 250 次的地獄般折磨的小憩中。如果它運行在一個虛擬機中，那我們正在消耗著宿主機 CPU 的性能和寶貴的時鐘周期。

在這裡的解決方案是 動態滴答，當 CPU 處於空閑狀態時，定時器中斷被 暫停或重計劃，直到內核知道將有事情要做時（例如，一個進程的定時器可能要在 5 秒內過期，因此，我們不能再繼續睡眠了），定時器中斷才會重新發出。這也被稱為無滴答模式。

最後，假設在一個系統中你有一個活動進程，例如，一個長時間運行的 CPU 密集型任務。那樣幾乎就和一個空閑系統是相同的：這些示意圖仍然是相同的，只是將空閑任務替換為這個進程，並且相應的描述也是準確的。在那種情況下，每 4 毫秒去中斷一次任務仍然是無意義的：它只是操作系統的性能抖動，甚至會使你的工作變得更慢而已。Linux 也可以在這種單一進程的場景中停止這種固定速率的滴答，這被稱為 自適應滴答 模式。最終，這種固定速率的滴答可能會 完全消失。

對於閱讀一篇文章來說，CPU 基本是無事可做的。內核的這種空閑行為是操作系統難題的一個重要部分，並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運行中的內核。

via: https://manybutfinite.com/post/what-does-an-idle-cpu-do/

作者：Gustavo Duarte 譯者：qhwdw 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive