Жизненный цикл процесса (кратко, с переходами)
- Создание: системный вызов $‘fork()‘$ порождает копию; часто сразу следует $‘execve()‘$ для загрузки новой программы.
- Состояния: новый → готов/выполнимый (runnable) → выполняемый (running) → ожидающий/заблокированный (waiting/blocked) → завершённый (terminated/zombie).
- Переходы: готов ⇄ выполняемый — по планировщику; выполняемый → ожидающий — при блокирующем I/O или ожидании IPC; ожидающий → готов — по завершении события; завершение через $‘exit()‘$, родитель снимает зомби через $‘wait()‘$.
Роль планировщика
- Задача: выбирать следующий процесс/поток для CPU, обеспечивать баланс между пропускной способностью и задержкой.
- Политики: интерактивная/сбалансированная (например, CFS — Completely Fair Scheduler), реальные‑временные классы ($SCHED\_FIFO$, $SCHED\_RR$) и приоритеты (nice/rt priority).
- Механизмы: очереди выполнения (run queues), квант времени (timeslice), преднамеренная вытеснимость (preemption), мультиуровневая адаптивная логика (MLFQ/CFS fairness).
- Метрики: fairness, latency, throughput; параметры планировщика (granularity, latency) влияют на отклик и загрузку.
Контекстное переключение
- Что сохраняется/восстанавливается: регистры процессора, указатель команд (IP), стек ядра/пользователя, дескрипторы памяти (в таблицах страниц), состояние FPU/SIMD.
- Стоимость: аппаратное и софт-накладные расходы — переключение регистров, переключение адресного пространства (TLB flush/invalidations), потеря кэш-локальности. Это может стоить десятки-сотни микросекунд на современной системе; при частых переключениях растут потери производительности.
- Минимизация затрат: агрегирование работы, уменьшение частоты переключений, использование потоков в одном адресном пространстве или ядра с кеш‑локальностью.
Механизмы IPC (ключевые, с короткой характеристикой)
- Колоночные потоки/анонимные каналы (pipe): потоковые, блокирующие, копирование данных через ядро.
- Именованные FIFO: как pipe, но с файловой видимостью.
- Сокеты (Unix domain / TCP): гибкие, поддерживают сетевой стэк, могут быть копирующими.
- Очереди сообщений (msgsnd/msgrcv): структурированная передача сообщений.
- Общая память (shm, mmap): нулевое копирование, высокая производительность, требует синхронизации (семафоры/futex).
- Семафоры/мьютексы/futex: синхронизация доступа к shared memory; futexes позволяют выполнять блокировку в пользователе и лишь при конфликте обращаться в ядро (ускорение).
- События/epoll/eventfd: эффективный опрос множества дескрипторов без активного ожидания.
- Выбор механизма зависит от требуемой пропускной способности, задержки и сложности синхронизации.
Сценарий неправильной настройки планировщика и деградация производительности
- Пример: на сервере запускают вычислительный бенчмарк (CPU‑bound) и ошибочно переводят его в реальное время $SCHED\_FIFO$ с приоритетом $...99...$.
- Последствия: поток с $SCHED\_FIFO$ не вытесняется планировщиком до добровольной блокировки, поэтому он может монополизировать CPU; интерактивные и системные процессы остаются в состоянии «готов» и получают очень малый доступ к CPU.
- Наблюдаемые симптомы: загрузка CPU $...100\%$, отклик интерактивных задач увеличивается с $...5\mathrm{ms}$ до $...500\mathrm{ms}$ или больше, задержки I/O растут, системные таймеры и демоны испытывают starvation.
- Почему это происходит: реальные‑временные политики предназначены для задач, гарантирующих своевременное освобождение CPU; неправильное применение нарушает баланс fairness и приводит к голоданию других задач.
Как исправить / смягчить
- Не давать ненужных RT‑приоритетов; использовать обычный класс планирования и nice для батчей.
- Ограничить RT‑время через ядро ($/proc/sys/kernel/sched\_rt\_runtime\_us$ и $/proc/sys/kernel/sched\_rt\_period\_us$).
- Использовать cgroups/cpu sets для ограничения CPU‑долей (quota/shares) и привязки к конкретным ядрам.
- Для I/O‑чувствительных задач — увеличить приоритет I/O (ionice) или выделить отдельные CPU.
- Мониторинг: смотреть run queue length, latencies, top/htop (приоритеты), perf, ftrace для анализа частоты контекстных переключений.
Короткое резюме
- Процесс проходит создание → готов → выполняется → блокируется → завершается; планировщик выбирает кто и когда выполняется; контекстное переключение сохраняет/восстанавливает состояние и имеет сетевые/кэш‑накладные расходы; IPC обеспечивает обмен и синхронизацию с разной производительностью. Неправильные настройки планирования (особенно misuse RT‑политик) легко ведут к монополии CPU и сильной деградации отклика — решается ограничением приоритетов, использованием cgroups и корректной политикой планирования.