Linux内核设计与实现 进程调度1: 基本概念

        进程大致可分为I/O密集型和 CPU密集型。

        调度依据 动态优先级 ，所谓动态优先级就是初始化时给出一个基础优先级，随后优先级可被调度程序动态的增减。高优先级进程也获得较长的时间片。I/O密集型通常被提升优先级，而CPU密集型则被降低。            

        Linux系统有两种独立的优先级范围。第一种是 Nice 值，返回是[-20, 19]，默认值为0。数值越高优先级越低。Nice值影响了时间片的分配。如果进程拥有-20的Nice值，那么该进程将被分配理论最长的时间片。Nice值是所有Unix系统的标准优先级。

        Linux的第二种优先级范围是 实时优先级 。这个优先级的值是可配置的。通常来说范围在[0,99]。 所有实时进程的优先级都高于普通进程 。(实时进程是什么？)

        时间片是一个数值，决定了进程被抢占前可运行的时间。必须为进程分配合适长度的时间片。时间片太长会影响系统的交互性，时间片太短则会导致系统花费大量的时间用于进程的切换。同时还要兼顾I/O密集型和 CPU密集型进程的矛盾。因为I/O密集型无需长时间片，却渴望经常运行。而Linux却提供了相对较长的默认时间片——100毫秒。   

        注意到，进程不必在每次被调度运行后就花光自己所有的时间片。举例来说，如果一个进程拥有长达100毫秒的时间片，那么它可以在五个不同时段运行，每次花费20毫秒的时间片。这么做的好处是，一个拥有长时间片的进程（尽管它本身不需要如此长的时间片），可以尽可能长时间的保持运行状态。而不会过早地被丢入等待调度的队列中（稍后说到）。这就好比键盘驱动进程的实现方法。

        当某进程的状态变为TASK_RUNNING的时候，内核会检查它的优先级是否高于当前正在执行的任务。如果是，调度进程就会使该进程抢占CPU。另外，如果一个进程的时间片变成0（意味着用尽了所有时间片，只能等待所有进程时间片为0才会重新分配），调度进程会被再次调用，选择一个新的进程运行。

        个人猜测 ：这里拿文字软件和音乐播放软件来举例。CPU在每条指令执行结束后检查中断引脚。如果检测到键盘的活动，就会引发中断而将键盘输入程序的状态设置为TASK_RUNNING，然后执行上述的检查程序。因为文字软件的优先级高于音乐播放软件，所以文字软件将立即得到执行，将键入字符输入在屏幕中。完成这一工作后，文字软件将设置自身状态或是其他方法，使得音乐播放软件可以抢占CPU？

Linux进程调度

1．调度方式

Linux系统的调度方式基本上采用“ 抢占式优先级 ”方式，当进程在用户模式下运行时，不管它是否自愿，核心在一定条件下（如该进程的时间片用完或等待I/O）可以暂时中止其运行，而调度其他进程运行。一旦进程切换到内核模式下运行时，就不受以上限制，而一直运行下去，仅在重新回到用户模式之前才会发生进程调度。

Linux系统中的调度基本上继承了UNIX系统的 以优先级为基础 的调度。也就是说，核心为系统中每个进程计算出一个优先级，该优先级反映了一个进程获得CPU使用权的资格，即高优先级的进程优先得到运行。核心从进程就绪队列中挑选一个优先级最高的进程，为其分配一个CPU时间片，令其投入运行。在运行过程中，当前进程的优先级随时间递减，这样就实现了“负反馈”作用，即经过一段时间之后，原来级别较低的进程就相对“提升”了级别，从而有机会得到运行。当所有进程的优先级都变为0（最低）时，就重新计算一次所有进程的优先级。

2．调度策略

Linux系统针对不同类别的进程提供了3种不同的调度策略，即SCHED_FIFO、SCHED_RR及SCHED_OTHER。其中，SCHED_FIFO适合于 短实时进程 ，它们对时间性要求比较强，而每次运行所需的时间比较短。一旦这种进程被调度且开始运行，就一直运行到自愿让出CPU或被优先级更高的进程抢占其执行权为止。

SCHED_RR对应“时间片轮转法”，适合于每次运行需要 较长时间的实时进程 。一个运行进程分配一个时间片（200 ms），当时间片用完后，CPU被另外进程抢占，而该进程被送回相同优先级队列的末尾，核心动态调整用户态进程的优先级。这样，一个进程从创建到完成任务后终止，需要经历多次反馈循环。当进程再次被调度运行时，它就从上次断点处开始继续执行。

SCHED_OTHER是传统的UNIX调度策略，适合于交互式的 分时进程 。这类进程的优先级取决于两个因素：一个是进程剩余时间配额，如果进程用完了配给的时间，则相应优先级降到0；另一个是进程的优先数nice，这是从UNIX系统沿袭下来的方法，优先数越小，其优先级越高。nice的取值范围是-20 19。用户可以利用nice命令设定进程的nice值。但一般用户只能设定正值，从而主动降低其优先级；只有特权用户才能把nice的值设置为负数。进程的优先级就是以上二者之和。

后台命令对应后台进程（又称后台作业）。后台进程的优先级低于任何交互（前台）进程的优先级。所以，只有当系统中当前不存在可运行的交互进程时，才调度后台进程运行。后台进程往往按批处理方式调度运行。

3．调度时机

核心进行进程调度的时机有以下5种情况：

（1）当前进程调用系统调用nanosleep( )或者pause( )，使自己进入睡眠状态，主动让出一段时间的CPU的使用权。

（2）进程终止，永久地放弃对CPU的使用。

（3）在时钟中断处理程序执行过程中，发现当前进程连续运行的时间过长。

（4）当唤醒一个睡眠进程时，发现被唤醒的进程比当前进程更有资格运行。

（5）一个进程通过执行系统调用来改变调度策略或者降低自身的优先级（如nice命令），从而引起立即调度。

4．调度算法

进程调度的算法应该比较简单，以便减少频繁调度时的系统开销。Linux执行进程调度时，首先查找所有在就绪队列中的进程，从中选出优先级最高且在内存的一个进程。如果队列中有实时进程，那么实时进程将优先运行。如果最需要运行的进程不是当前进程，那么当前进程就被挂起，并且保存它的现场—— 所涉及的一切机器状态，包括程序计数器和CPU寄存器等，然后为选中的进程恢复运行现场。

（二）Linux常用调度命令

· nohup命令

nohup命令的功能是以忽略挂起和退出的方式执行指定的命令。其命令格式是：

nohup　command　［arguments］

其中，command是所要执行的命令，arguments是指定命令的参数。

nohup命令告诉系统，command所代表的命令在执行过程中不受任何结束运行的信号（hangup和quit）的影响。例如，

$ nohup find / -name exam.txt -print>f1 &

find命令在后台运行。在用户注销后，它会继续运行：从根目录开始，查找名字是exam.txt的文件，结果被定向到文件f1中。

如果用户没有对输出进行重定向，则输出被附加到当前目录的nohup.out文件中。如果用户在当前目录中不具备写权限，则输出被定向到$HOME/nohup.out 中。

· at命令

at命令允许指定命令执行的时间。at命令的常用形式是：

at　time　command

其中，time是指定命令command在将来执行时的时间和日期。时间的指定方法有多种，用户可以使用绝对时间，也可以用相对时间。该指定命令将以作业形式在后台运行。例如：

$ at 15:00 Oct 20

回车后进入接收方式，接着键入以下命令：

mail -s "Happy Birthday!" liuzheny

按下D键，屏幕显示：

job 862960800.a at Wed Oct 20 15:00:00 CST 1999

$

表明建立了一个作业，其作业ID号是862960800.a，运行作业的时间是1999年10月20日下午3:00，给liuzheny发一条标题为“Happy Birthday！”（生日快乐）的空白邮件。

利用 at　-l 可以列出当前at队列中所有的作业。

利用 at　-r 可以删除指定的作业。这些作业以前由at或batch命令调度。例如，

at　-r　862960797.a

将删除作业ID号是862960797.a的作业。其一般使用形式是：

at　-r　job_id

注意，结尾是.a的作业ID号，表示这个作业是由at命令提交的；结尾是.b的作业ID号，表示这个作业是由batch命令提交的。

· batch命令

batch命令不带任何参数，它提交的作业的优先级比at命令提交的作业的优先级低。batch无法指定作业运行的时间。实际运行时间要看系统中已经提交的作业数量。如果系统中优先级较高的作业比较多，那么，batch提交的作业则需要等待；如果系统空闲，则运行batch提交的作业。例如，

$ batch

回车后进入接收方式，接着键入命令：

find / -name exam.txt -print

按下D。退出接收方式，屏幕显示：

job 862961540.b at Thu Nov 18 14:30:00 CST 1999

表示find命令被batch作为一个作业提交给系统，作业ID号是862961540.b。如果系统当前空闲，这个作业被立即执行，其结果同样作为邮件发送给用户。

· jobs命令

jobs命令用来显示当前shell下正在运行哪些作业（即后台作业）。例如：

$ jobs

[2] + Running tar tv3 *&

[1] - Running find / -name README -print >logfile &

$

其中，第一列方括号中的数字表示作业序号，它是由当前运行的shell分配的，而不是由 *** 作系统统一分配的。在当前shell环境下，第一个后台作业的作业号为1，第二个作业的作业号为2，等等。

第二列中的“ ”号表示相应作业的优先级比“－”号对应作业的优先级高。

第三列表明作业状态，是否为运行、中断、等待输入或停止等。

最后列出的是创建当前这个作业所对应的命令行。

利用 jobs　-l 形式，可以在作业号后显示出相应进程的PID。如果想只显示相应进程的PID，不显示其它信息，则使用 jobs　-p 形式。

· fg命令

fg命令把指定的后台作业移到前台。其使用格式是：

fg [job…]

其中，参数job是一个或多个进程的PID，或者是命令名称或者作业号（前面要带有一个“%”号）。例如：

$ jobs

[2] + Running tar tv3 *&

[1] - Running find / -name README -print >logfile&

$ fg %find

find / -name README -print >logfile

注意，显示的命令行末尾没有“&”符号。下面命令能产生同样的效果：

$ fg %1

这样，find命令对应的进程就在前台执行。当后台只有一个作业时，键入不带参数的fg命令，就能使相应进程移到前台。当有两个或更多的后台作业时，键入不带参数的fg，就把最后进入后台的进程首先移到前台。

· bg命令

bg命令可以把前台进程换到后台执行。其使用格式是：

bg [job…]

其中，job是一个或多个进程的PID、命令名称或者作业号，在参数前要带“%”号。例如，在cc（C编译命令）命令执行过程中，按下Z键，使这个作业挂起。然后键入以下命令：

$ bg %cc

该挂起的作业在后台重新开始执行。

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