O que faz um processo inativo da CPU?

Olhando para a fonte strace, encontrei o uso da bandeira do clone, CLONE_IDLETASKque é descrita como:

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

Depois de analisar mais detalhadamente, descobri que, embora esse sinalizador não seja coberto, man cloneele é realmente usado pelo kernel durante o processo de inicialização para criar processos inativos (todos com PID 0) para cada CPU na máquina. isto é, uma máquina com 8 CPUs terá pelo menos 7 (veja a pergunta abaixo) esses processos "em execução" (aspas).

Agora, isso me leva a algumas perguntas sobre o que esse processo "inativo" realmente faz. Minha suposição é que ele execute a operação NOP continuamente até o período terminar e o kernel atribua um processo real para executar ou atribuir o processo inativo novamente (se a CPU não estiver sendo usada). No entanto, esse é um palpite completo. Assim:

1. Em uma máquina com, digamos, 8 CPUs, 7 desses processos ociosos serão criados? (e uma CPU será mantida pelo próprio kernel enquanto nenhum trabalho do espaço do usuário estiver funcionando?)

2. O processo inativo é realmente apenas um fluxo infinito de operações NOP? (ou um loop que faz o mesmo).

3. O uso da CPU (digamos uptime) é simplesmente calculado por quanto tempo o processo ocioso estava na CPU e por quanto tempo ele não estava lá durante um determinado período de tempo?

_{PS É provável que boa parte dessa pergunta se deva ao fato de eu não entender completamente como uma CPU funciona. ou seja, eu entendo a montagem, os prazos e as interrupções, mas não sei como, por exemplo, uma CPU pode usar mais ou menos energia, dependendo do que está executando. Ficaria muito grato se alguém puder me esclarecer sobre isso também.}

A tarefa inativa é usada para contabilização de processos e também para reduzir o consumo de energia. No Linux, uma tarefa inativa é criada para cada processador e bloqueada para esse processador; sempre que não houver outro processo para executar nessa CPU, a tarefa ociosa será agendada. O tempo gasto nas tarefas inativas aparece como tempo "inativo" em ferramentas como top. (O tempo de atividade é calculado de maneira diferente.)

O Unix parece sempre ter tido algum tipo de loop ocioso (mas não necessariamente uma tarefa ociosa real, veja a resposta de Gilles ), e mesmo na V1 ele usava uma WAITinstrução que parava o processador até que ocorresse uma interrupção (significava “aguarde interromper"). Alguns outros sistemas operacionais usavam loops ocupados, DOS, OS / 2 e versões anteriores do Windows em particular. Já há muito tempo, as CPUs usam esse tipo de instrução de "espera" para reduzir o consumo de energia e a produção de calor. Você pode ver várias implementações de tarefas ociosas, por exemplo, no arch/x86/kernel/process.ckernel Linux: a básica apenas chamaHLT, que interrompe o processador até que ocorra uma interrupção (e ativa o modo de economia de energia C1), as outras implementações lidam com vários bugs ou ineficiências ( por exemplo, usando em MWAITvez de HLTem algumas CPUs).

Tudo isso é completamente separado dos estados inativos nos processos, quando eles estão aguardando um evento (E / S, etc.).

No design do livro didático de um agendador de processos, se o agendador não tiver nenhum processo para agendar (ou seja, se todos os processos estiverem bloqueados, aguardando entrada), o agendador aguardará a interrupção do processador. A interrupção pode indicar a entrada de um periférico (ação do usuário, pacote de rede, leitura concluída a partir de um disco etc.) ou pode ser uma interrupção do timer que aciona um timer no processo.

O agendador do Linux não possui código especial para um caso que não deve ser feito. Em vez disso, ele codifica o caso nada a fazer como um processo especial, o processo inativo. O processo inativo só é agendado quando nenhum outro processo é agendável (ele tem efetivamente uma prioridade infinitamente baixa). O processo inativo é de fato parte do kernel: é um thread do kernel, ou seja, um thread que executa código no kernel, em vez de código em um processo. (Mais precisamente, existe um desses threads para cada CPU.) Quando o processo inativo é executado, ele executa a operação de espera por interrupção.

O funcionamento da espera por interrupção depende dos recursos do processador. Com o design mais básico do processador, esse é apenas um loop ocupado -

nothing:
    goto nothing

O processador continua executando uma instrução de ramificação para sempre, o que não realiza nada. A maioria dos sistemas operacionais modernos não faz isso, a menos que esteja executando um processador em que não há nada melhor, e a maioria dos processadores tem algo melhor. Em vez de gastar energia sem fazer nada além de aquecer a sala, o ideal é que o processador seja desligado. Portanto, o kernel executa o código que instrui o processador a se desligar, ou pelo menos a desligar a maior parte do processador. Deve haver pelo menos uma pequena parte que permanece ligada, o controlador de interrupção. Quando um periférico aciona uma interrupção, o controlador de interrupção envia um sinal de ativação para a parte (principal) do processador.

Na prática, CPUs modernas, como Intel / AMD e ARM, têm muitas configurações complexas de gerenciamento de energia. O sistema operacional pode estimar quanto tempo o processador permanecerá no modo inativo e escolherá diferentes modos de baixo consumo de energia, dependendo disso. Os modos oferecem compromissos diferentes entre o uso de energia enquanto ocioso e o tempo necessário para entrar e sair do modo ocioso. Em alguns processadores, o sistema operacional também pode diminuir a taxa de clock do processador quando descobrir que os processos não estão consumindo muito tempo de CPU.

Não, uma tarefa inativa não desperdiça ciclos da CPU. O planejador simplesmente não seleciona um processo inativo para execução. Um processo inativo está aguardando a ocorrência de algum evento para que possa continuar. Por exemplo, ele pode estar aguardando entrada em uma read()chamada do sistema.

A propósito, o kernel não é um processo separado. O código do kernel é sempre executado no contexto de um processo (bem, exceto no caso especial de um thread do kernel), portanto, não é correto dizer "e uma CPU será mantida pelo próprio kernel enquanto não estiver executando o trabalho no espaço do usuário".