HITOS_LAB5 进程运行轨迹的跟踪与统计
5. 进程运行轨迹的跟踪与统计
5.1. 实验目的
- 掌握
Linux下的多进程编程技术； - 通过对进程运行轨迹的跟踪来形象化进程的概念；
- 在进程运行轨迹跟踪的基础上进行相应的数据统计，从而能对进程调度算法进行实际的量化评价， 更进一步加深对调度和调度算法的理解，获得能在实际操作系统上对调度算法进行实验数据对比的直接经验。
5.2. 实验内容
编写样本程序
process.c：
#include 跟踪进程运行轨迹
首先修改init文件夹下的main.c中的main()函数，应当在内核启动时就打开log文件。
打开log文件的参数指定为只写模式，如果文件已经存在，则清空其现有内容。文件权限设置为所有人可读可写。
在kernel/printk.c中添加fprintk函数。
#include jiffies
jiffies在kernel/sched.c文件中定义为一个全局变量：
long volatile jiffies=0;
其记录了从系统开机到当前时间的时钟中断发生次数，也被称为“滴答数”。
在kernel/sched.c文件中的sched_init()函数中，时钟中断处理函数被设置为：
set_intr_gate(0x20,&timer_interrupt);
这表明jiffies表示了从系统开机时到目前为止的时钟中断次数，即“滴答数”。
此外，在sched_init()函数中，以下代码用于设置每次时钟中断的间隔，即LATCH：
outb_p(0x36, 0x43);
outb_p(LATCH&0xff, 0x40);
outb_p(LATCH>>8, 0x40);
三条语句的目的是配置8253定时芯片的工作模式，并设置时钟中断的触发频率。其中，LATCH是在kernel/sched.c文件中定义的一个宏：
kernel/sched.c
#define LATCH (1193180/HZ)
include/linux/sched.h
#define HZ 100
寻找状态切换点
需要在所有发生进程状态切换的代码点添加适当的代码，以记录进程状态变化的情况并输出到log文件中。
总体而言，Linux 0.11支持四种主要的进程状态转移：从就绪到运行、从运行到就绪、从运行到睡眠以及从睡眠到就绪。此外，还存在新建和退出两种情况。其中，就绪到运行的状态转移通过schedule()函数实现（该函数同时涵盖调度算法）；运行到睡眠的转移则依赖于sleep_on()和interruptible_sleep_on()，以及进程主动休眠的系统调用如sys_pause()和sys_waitpid()；而从睡眠到就绪的转移则依赖于wake_up()。通过在这些函数的适当位置插入处理语句，可以实现对进程运行轨迹的全面跟踪。
在kernel/fork.c文件中的copy_process()函数中，修改如下，以在新建态N时输出新建进程信息到文件：
p->start_time = jiffies;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", p->pid, 'N', jiffies);
kernel/sched.c：
schedule()函数：
if (((*p)->signal & ~(_BLOCKABLE & (*p)->blocked)) &&
(*p)->state==TASK_INTERRUPTIBLE)
{
(*p)->state=TASK_RUNNING;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (*p)->pid, 'J', jiffies);
}
由于中断信号影响，由可中断的阻塞态W变为就绪态J
if(task[next]->pid != current->pid)
{
if(current->state==TASK_RUNNING)
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'J', jiffies);
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", task[next]->pid, 'R', jiffies);
}
switch_to(next);
sys_pause()函数：
int sys_pause(void)
{
if(current->state!=TASK_INTERRUPTIBLE )
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
schedule();
return 0;
}
sleep_on()函数：
void sleep_on(struct task_struct **p)
{
struct task_struct *tmp;
if (!p)
return;
if (current == &(init_task.task))
panic("task[0] trying to sleep");
tmp = *p;
*p = current;
current->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
schedule();
if (tmp)
tmp->state=0;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", tmp->pid, 'J', jiffies);
}
interruptible_sleep_on()函数：
void interruptible_sleep_on(struct task_struct **p)
{
struct task_struct *tmp;
if (!p)
return;
if (current == &(init_task.task))
panic("task[0] trying to sleep");
tmp=*p;
*p=current;
repeat: current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
schedule();
if (*p && *p != current) {
(**p).state=0;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (**p).pid, 'J', jiffies);
goto repeat;
}
*p=NULL;
if (tmp)
tmp->state=0;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", tmp->pid, 'J', jiffies);
}
wake_up()函数：
void wake_up(struct task_struct **p)
{
if (p && *p) {
(**p).state=0;
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", (**p).pid, 'J', jiffies);
*p=NULL;
}
}
修改kernel/exit.c：
do_exit()函数：
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'E', jiffies);
sys_waitpid()函数：
fprintk(3, "%ld\t%c\t%ld\n", current->pid, 'W', jiffies);
schedule();
在Linux-0.11下
make all
sudo ./mount-hdc
sudo umount hdc
./run
日志文件process.log中
统计进程时间
chmod +x stat_log.py
./stat_log.py process.log 12 13 14 15 -g | more
修改linux-0.11进程调度的时间片
Linux 0.11所采用的调度算法是一种综合考虑进程优先级并具有动态反馈机制，能够调整时间片的轮转调度算法。该算法为每个进程分配一个称为时间片的时间段，即该进程被允许运行的时间。如果在时间片结束时进程仍在运行，CPU将会被剥夺，并分配给另一个进程；而如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU会立即进行切换。调度程序的主要任务是维护一个就绪进程列表，当进程用完它的时间片后，它将被移到队列的末尾。那么综合考虑进程优先级又是什么呢？这意味着一个进程在阻塞队列中停留的时间越长，其优先级就越高，因此下次将被分配更大的时间片。
进程之间的切换是需要时间的。如果时间片设定得太小，将导致频繁的进程切换，从而浪费大量时间在进程切换上，影响系统效率；相反，如果时间片设定得足够大，虽然不会浪费时间在进程切换上，但会降低系统的利用率，且可能对用户交互性产生不良影响。因此，时间片的大小需要在保持CPU利用率和用户交互性之间取得平衡。
为了调整每个进程的时间片，可以通过修改INIT_TASK宏中的counter来实现。在这里，counter代表进程的时间片。通过增加它，可以延长进程被分配CPU的时间。下图中，平均等待时间以及平均完成时间随着时间片的切片数增多而减少 。
5.3. 实验报告
- 结合自己的体会，谈谈从程序设计者的角度看，单进程编程和多进程编程最大的区别是什么？
在单进程编程中，程序是按照顺序执行的，一个任务完成后才会执行下一个任务。这种方式不涉及到多个任务之间的切换和数据保存，但是在等待I/O时，CPU可能处于空闲状态，导致CPU利用率相对较低。
相比之下，多进程编程允许多个进程交替执行。当一个进程等待I/O时，系统可以切换到另一个就绪的进程执行，从而提高了CPU的利用率。然而，多进程编程涉及到进程切换时的数据保存和复杂的调度机制，这可能导致一些额外的开销和复杂性。
执行方式
- 单进程编程： 顺序执行，程序从上到下逐行执行。一个任务的执行完成后，才会执行下一个任务。
- 多进程编程： 并发执行，多个进程可以同时运行。进程之间可以交替执行，提高系统的响应速度和资源利用率。
数据是否同步
- 单进程编程： 数据是同步的，因为在单进程中修改数据会直接影响整个进程的状态。
- 多进程编程： 数据是异步的，因为每个进程有自己的内存空间，进程之间的数据修改不会直接影响其他进程的数据。
CPU利用率
- 单进程编程： CPU利用率相对较低。当进程在等待I/O操作时，CPU处于空闲状态。
- 多进程编程： CPU利用率相对较高。当一个进程在等待I/O时，其他进程可以继续执行，充分利用了CPU资源。
适用场景
- 单进程编程： 适用于简单的、线性的任务，不涉及多任务协同工作的场景。
- 多进程编程： 适用于需要同时处理多个任务、有并发需求的场景，例如服务器程序、并行计算等。
2.你是如何修改时间片的？仅针对样本程序建立的进程，在修改时间片前后， log 文件的统计结果（不包括Graphic）都是什么样？结合你的修改分析一下为什么会这样变化，或者为什么没变化？
通过在sched.h文件中的INIT_TASK宏进行时间片的修改。观察到在样本程序建立的进程中，随着时间片的较大幅度修改，并没有引起log文件统计结果的显著变化。
-
系统处理能力不变： 关键在于系统处理的进程数量并没有发生改变。即使时间片较大，系统在单位时间内仍能处理相同数量的进程。这导致了吞吐量在一定范围内没有明显的变化。
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平均等待时间和平均完成时间的变化： 在一定范围内，随着时间片的增大，平均等待时间和平均完成时间呈下降趋势。这是因为在较小的时间片情况下，
CPU花费更多时间在调度切换上，导致平均等待时间增加。随着时间片的增大，这种等待时间减小。然而，当时间片足够大时，进程调度可能变得类似于先来先服务（FCFS），平均等待时间和平均完成时间趋于稳定。 -
调度策略影响： 随着时间片的修改，
RR轮转调度逐渐转变为FCFS先来先服务。这导致了吞吐量的相对稳定性，因为在单位时间内完成的进程数量受到系统处理能力的限制。