进程调度方案设计 实现一个基本动态优先级的调度算法

前两天做 *** 作系统作业的时候学习了一下几种进程调度算法，在思考和讨论后，有了一些自己的想法，现在就写出来，跟大家讨论下。，或者说只有有限的CPU资源，当系统中有多个进程处于就绪状态，要竞争CPU资源时， *** 作系统就要负责完成如何分配资源的任务。在 *** 作系统中，由调度程序来完成这一选择分配的工作，调度程序所使用的算法即是调度算法。调度算法需要考虑的指标主要有尽量保证CPU资源分配的公平性；按照一定策略强制执行算法调度；平衡整个计算机系统，尽量保持各个部分都处于忙碌状态。而根据系统各自不同的特点和要求，调度算法又有一些侧重点和目标不同，因此，算法按照系统差异主要分为三大类：批处理系统中的调度算法，代表调度算法有：先来先服务、最短作业优先、最短剩余时间优先。交互式系统中的调度算法，代表调度算法有：轮转调度、优先级调度、多级队列、最短进程优先、保证调度、彩票调度、公平分享调度。实时系统中的调度算法，代表调度算法有：速率单调调度、最早最终时限优先调度。下面就上述提到的调度算法中挑出几个进行重点分析：保证调度保证调度是指利用算法向用户做出明确的性能保证，然后尽力按照此保证实现CPU的资源分配。利用这种算法，就是定一个进程占用CPU的时间的标准，然后按照这个标准去比较实际占用CPU的时间，调度进程每次使离此标准最远的进程得到资源，不断满足离所保证的标准最远的进程，从而平衡资源分配满足这个标准的要求。保证调度算法的优点是：能很好的保证进程公平的CPU份额，当系统的特点是：进程的优先级没有太大悬殊，所制定的保证标准差异不大，各个进程对CPU的要求较为接近时，比如说系统要求n个进程中的每个进程都只占用1/n的CPU资源，利用保证调度可以很容易的实现稳定的CPU分配要求。但缺点是，这种情况太过理想，当系统的各个进程对CPU要求的紧急程度不同，所制定的保证较为复杂的时候，这个算法实现起来比较困难。彩票调度彩票调度这种算法的大意是指向进程提供各种系统资源如CPU资源的彩票，当系统需要做出调度决策时，随机抽出一张彩票，由此彩票的拥有者获得资源。在彩票调度系统中，如果有一个新的进程出现并得到一些彩票，那么在下一次的抽奖中，该进程会有同它持有彩票数量成正比例的机会赢得奖励。进程持有的彩票数量越多，则被抽中的可能性就越大。调度程序可以通过控制进程的彩票持有数量来进行调度。彩票调度有很多优点：首先，它很灵活，系统增加分给某个进程的彩票数量，就会大大增加它占用资源的可能性，可以说，彩票调度的反应是迅速的，而快速响应需求正是交互式系统的一个重要要求。其次，彩票调度算法中，进程可以交换彩票，这个特点可以更好的保证系统的平衡性，使其各个部分都尽可能的处于忙碌状态。而且利用彩票调度还可以解决许多别的算法很难解决的问题，例如可以根据特定的需要大致成比例的划分CPU的使用。速率单调调度速率单调调度算法是一种可适用于可抢占的周期性进程的经典静态实时调度算法。当实时系统中的进程满足：每个周期性进程必须在其周期内完成，且进程之间没有相互依赖的关系，每个进程在一次突发中需要相同的CPU时间量，非周期的进程都没有最终时限四个条件时，并且为了建模方便，我们假设进程抢占即刻发生没有系统开销，可以考虑利用速率单调算法。速率单调调度算法是将进程的速率（按照进程周期所算出的每秒响应的次数）赋为优先级，则保证了优先级与进程速率成线性关系，这即是我们所说的速率单调。调度程序每次运行优先级最高的，只要优先级较高的程序需要运行，则立即抢占优先级低的进程，而优先级较低的进程必须等所有优先级高于它的进程结束后才能运行。速率单调调度算法可以保证系统中最关键的任务总是得到调度，但是缺点是其作为一种静态算法，灵活性不够好，当进程数变多，系统调度变得复杂时，可能不能较好的保证进程在周期内运行。最早最终时限优先调度最早最终时限优先调度算法是一个动态算法，不要求进程是周期性的，只要一个进程需要CPU时间，它就宣布它的到来时间和最终时限。调度程序维持一个可运行的进程列表，按最终时限排序，每次调度一个最终时限最早的进程得到CPU 。当新进程就绪时，系统检查其最终时限是否在当前运行的进程结束之前，如果是，则抢占当前进程。由于是动态算法，最早最终优先调度的优点就是灵活，当进程数不超过负载时，资源分配更优，但也同样由于它的动态属性，进程的优先级都是在不断变化中的，所以也没有哪个进程是一定可以保证满足调度的，当进程数超过负载时，资源分配合理度会急速下降，所以不太稳定。

调度程序负责决定将哪个进程投入运行，何时运行以及运行多长时间。进程调度程序可看作在可运行态进程之间分配有限的处理器时间资源的内核子系统，是像Linux这样的多任务 *** 作系统的基础。

多任务 *** 作系统就是能同时并发地交互执行多个进程的 *** 作系统。可以分为两类：

进程可以分为I/O消耗型和处理器消耗型（进程可以同时展示这两种行为）。

调度策略通常要在两个矛盾的目标中寻找平衡：进程响应迅速和最大系统利用率。Linux为了保证交互式应用和桌面系统的性能，对进程的响应做了优化（缩短响应时间），更倾向于优先调度I/O消耗型进程。

Linux采用了两种不同的优先级范围：

实时优先级和nice值处于互不相交的两个范畴，任何实时进程的优先级都高于普通进程。

时间片是一个数值，它表明进程在被抢占前所能持续运行的时间。

Linux自2.6内核系统开始引入新的进程调度算法，其中最著名的是“反转楼梯最后期限调度算法（rotating staircase deadline scheduler，RSDL）”，被称为“完成公平调度算法（CFS）”。

Linux的CFS调度器并没有直接分配时间片到进程，而是将处理器的使用比例划分给进程，也就是说，进程所获得的处理器时间和系统负载密切相关的。当一个进程进入可运行状态，他就被准许投入运行。Linux的CFS调度器，其抢占时机取决于新的可运行进程消耗了多少处理器使用比。如果消耗的使用比例比当前进程小，则新的进程立刻投入运行，抢占当前进程，否则推迟运行。

Linux调度器是以模块方式提供的，以允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。这种模块化结构被称为调度器类，它允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程。每个调度器都有一个优先级，基础调度器会按照优先级顺序进程遍历调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度类胜出，去选择接下来要执行的程序。

CFS允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行的进程。nice值作为进程获得的处理器运行比的权重，nice值越低权重越高。每个进程都按照其权重在全部可行进程中所占比例的“时间片”来运行，任何进程所获的处理器时间是由它自己和其他所有可运行进程nice值的相对差值决定的。为了计算准确的时间片，CFS为完美多任务中的无限小调度周期的近似值设立了一个目标，称为目标延迟。

CFS调度算法的实现，主要关注：

所有的调度器都必须对进程运行时间做记账。CFS通过时间记账确保每个进程只在公平分配给它的处理器时间内运行。

CFS使用调度器实体结构来追踪进程运行记账，该结构为进程描述符（struct task_struct的成员变量）：

vruntime变量存放进程的虚拟运行时间，经过了所有可运行进程总数的标准化（被加权的）。以ns为单位，和定时器节拍不相关。CFS使用vruntime来记录一个程序到底运行了多长时间以及它还应该再运行多久。

update_curr()函数实现了记账功能。是由系统定时器周期性调用的，无论进程处于可运行态，还是不可运行态。因此，vruntime可以准确地测量给定进程的运行时间，而且知道谁是应该被下一个运行的进程。

CFS算法的核心：选择具有最小的vruntime任务。

CFS使用红黑树（rbtree）来组织可运行进程队列，其节点的键值为可运行进程的虚拟运行时间vruntime，有利于迅速找到最小vruntime的进程（可通过__pick_next_entity()函数来访问红黑树最左的叶子即可，当然最左的叶子可能被缓存在rb_left_most字段中，可直接读取）。

另外，可通过enqueue_entity/dequeue_entity函数从红黑树中增加/删除进程。这两个函数都会调用update_curr()函数来更新所处理任务的运行时统计数据。

进程调度的主要入口点是schedule()函数，是内核其他部分用于调用进程调度器的入口：选择哪个进程运行，何时将其投入运行。schedule()函数会通过pick_next_task()函数遍历调度类，找出优先级最高的调度类（struct sched_class），再通过调度类的pick_next_entity()函数（会调用__pick_next_entity()函数）来选择要执行的进程。

休眠（被阻塞）的进程处于不可运行的状态。内核对其 *** 作是：进程把自己标记称休眠状态，从可执行红黑树中删除，放入等待队列，然后调用schedule()选择和执行下一个进程。

唤醒：进程被设置为可执行状态，然后从等待队列中移到可执行红黑树中。

其中，等待队列是由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。

上下文切换，也就是从一个可执行进程切换到另一个可执行进程，由context_switch函数处理。

用户抢占：

Linux完整地支持内核抢占，只要重新调度是安全的，内核就可以在任何时间抢占正在执行的任务。只要没有持有锁，内核就可以进行抢占。内核抢占主要发生在：

普通的、非实时的调度策略是SCHED_NORMAL。

Linux提供两种实时调度策略：

Linux为实时调度策略提供一种软实时工作方式。也就是内核调度进程，尽力使进程在它的限定时间内运行，但内核不保证总能满足这些进程的要求。

对应的，硬实时系统保证在一定条件下，可以满足任何调度的要求。

七、与调度相关的系统调用

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