Linux进程调度的概述

Linux的调度程序是一个叫Schedule()的函数，由它来决定是否要进行进程的切换。而所谓的调度时机则是在什么情况下执行调度程序。

Linux进程调度采用的是抢占式多任务处理，所以进程之间的挂起和继续运行无需彼此之间的协作。

主要分为以下几种情况：

1、进程状态转换的时刻：进程终止、进程睡眠

进程要调用sleep()或exit()等函数进行状态转换，这些函数会主动调用调度程序进行进程调度。

2、当前进程的时间片用完时(current->counter=0)

由于进程的时间片是由时钟中断来更新的，因此，这种情况和时机4是一样的。

3、设备驱动程序

当设备驱动程序执行长而重复的任务时，直接调用调度程序。在每次反复循环中，驱动程序都检查need_resched的值，如果必要，则调用调度程序schedule()主动放弃CPU。

4、进程从中断、异常及系统调用返回到用户态时

不管是从中断、异常还是系统调用返回，最终都调用ret_from_sys_call()，由这个函数进行调度标志的检测，如果必要，则调用调度程序。

上回书说到 Linux进程的由来 和 Linux进程的创建 ，其实在同一时刻只能支持有限个进程或线程同时运行(这取决于CPU核数量，基本上一个进程对应一个CPU)，在一个运行的 *** 作系统上可能运行着很多进程，如果运行的进程占据CPU的时间很长，就有可能导致其他进程饿死。为了解决这种问题， *** 作系统引入了 进程调度器 来进行进程的切换，轮流让各个进程使用CPU资源。

1）rq： 进程的运行队列( runqueue)， 每个CPU对应一个 ，包含自旋锁(spinlock)、进程数量、用于公平调度的CFS信息结构、当前运行的进程描述符等。实际的进程队列用红黑树来维护(通过CFS信息结构来访问)。

2）cfs_rq： cfs调度的进程运行队列信息 ，包含红黑树的根结点、正在运行的进程指针、用于负载均衡的叶子队列等。

3）sched_entity： 把需要调度的东西抽象成调度实体 ，调度实体可以是进程、进程组、用户等。这里包含负载权重值、对应红黑树结点、 虚拟运行时vruntime 等。

4）sched_class：把 调度策略(算法)抽象成调度类 ，包含一组通用的调度 *** 作接口。接口和实现是分离，可以根据调度接口去实现不同的调度算法，使一个Linux调度程序可以有多个不同的调度策略。

1） 关闭内核抢占 ，初始化部分变量。获取当前CPU的ID号，并赋值给局部变量CPU， 使rq指向CPU对应的运行队列 。 标识当前CPU发生任务切换 ，通知RCU更新状态，如果当前CPU处于rcu_read_lock状态，当前进程将会放入rnp->blkd_tasks阻塞队列，并呈现在rnp->gp_tasks链表中。 关闭本地中断 ，获取所要保护的运行队列的自旋锁， 为查找可运行进程做准备 。

2） 检查prev的状态，更新运行队列 。如果不是可运行状态，而且在内核态没被抢占，应该从运行队列中 删除prev进程 。如果是非阻塞挂起信号，而且状态为TASK_INTER-RUPTIBLE，就把该进程的状态设置为TASK_RUNNING，并将它 插入到运行队列 。

3）task_on_rq_queued(prev) 将pre进程插入到运行队列的队尾。

4）pick_next_task 选取将要执行的next进程。

5）context_switch(rq, prev, next)进行 进程上下文切换 。

1) 该进程分配的CPU时间片用完。

2) 该进程主动放弃CPU(例如IO *** 作)。

3) 某一进程抢占CPU获得执行机会。

Linux并没有使用x86 CPU自带的任务切换机制，需要通过手工的方式实现了切换。

进程创建后在内核的数据结构为task_struct ， 该结构中有掩码属性cpus_allowed，4个核的CPU可以有4位掩码，如果CPU开启超线程，有一个8位掩码，进程可以运行在掩码位设置为1的CPU上。

Linux内核API提供了两个系统调用 ，让用户可以修改和查看当前的掩码：

1) sched_setaffinity()：用来修改位掩码。

2) sched_getaffinity()：用来查看当前的位掩码。

在下次task被唤醒时，select_task_rq_fair根据cpu_allowed里的掩码来确定将其置于哪个CPU的运行队列，一个进程在某一时刻只能存在于一个CPU的运行队列里。

在Nginx中，使用了CPU亲和度来完成某些场景的工作：

worker_processes      4

worker_cpu_affinity 0001001001001000

上面这个配置说明了4个工作进程中的每一个和一个CPU核挂钩。如果这个内容写入Nginx的配置文件中，然后Nginx启动或者重新加载配置的时候，若worker_process是4，就会启用4个worker，然后把worker_cpu_affinity后面的4个值当作4个cpu affinity mask，分别调用ngx_setaffinity，然后就把4个worker进程分别绑定到CPU0～3上。

worker_processes      2

worker_cpu_affinity 01011010

上面这个配置则说明了两个工作进程中的每一个和2个核挂钩。

进程调度算法也称 CPU 调度算法，毕竟进程是由 CPU 调度的。

当 CPU 空闲时， *** 作系统就选择内存中的某个「就绪状态」的进程，并给其分配 CPU。

什么时候会发生 CPU 调度呢？通常有以下情况：

其中发生在 1 和 4 两种情况下的调度称为「非抢占式调度」，2 和 3 两种情况下发生的调度称为「抢占式调度」。

非抢占式的意思就是，当进程正在运行时，它就会一直运行，直到该进程完成或发生某个事件而被阻塞时，才会把 CPU 让给其他进程。

而抢占式调度，顾名思义就是进程正在运行的时候，可以被打断，使其把 CPU 让给其他进程。那抢占的原则一般有三种，分别是时间片原则、优先权原则、短作业优先原则。

你可能会好奇为什么第 3 种情况也会发生 CPU 调度呢？假设有一个进程是处于等待状态的，但是它的优先级比较高，如果该进程等待的事件发生了，它就会转到就绪状态，一旦它转到就绪状态，如果我们的调度算法是以优先级来进行调度的，那么它就会立马抢占正在运行的进程，所以这个时候就会发生 CPU 调度。

那第 2 种状态通常是时间片到的情况，因为时间片到了就会发生中断，于是就会抢占正在运行的进程，从而占用 CPU。

调度算法影响的是等待时间（进程在就绪队列中等待调度的时间总和），而不能影响进程真在使用 CPU 的时间和 I/O 时间。

最简单的一个调度算法，就是非抢占式的先来先服务（First Come First Severd, FCFS）算法了。

顾名思义，先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。

FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。

最短作业优先（Shortest Job First, SJF）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。

这显然对长作业不利，很容易造成一种极端现象。

比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

前面的「先来先服务调度算法」和「最短作业优先调度算法」都没有很好的权衡短作业和长作业。

那么，高响应比优先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）调度算法主要是权衡了短作业和长作业。

每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：

从上面的公式，可以发现：

最古老、最简单、最公平且使用最广的算法就是时间片轮转（Round Robin, RR）调度算法。

每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行。

另外，时间片的长度就是一个很关键的点：

通常时间片设为 20ms~50ms 通常是一个比较合理的折中值。

前面的「时间片轮转算法」做了个假设，即让所有的进程同等重要，也不偏袒谁，大家的运行时间都一样。

但是，对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级或动态优先级：

该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法是「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展。

顾名思义：

工作原理：

设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；

新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；

当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；

可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。

整体架构如下，即调度策略是模块化设计的，调度器根据不同的进程依次遍历不同的调度策略，找到进程对应的调度策略，调度的结果即为选出一个可运行的进程指针，并将其加入到进程可运行队列中。

以一棵红黑树管理所有需要调度的进程，

红黑树，左边节点小于右边节点的值，运行到目前为止vruntime最小的进程，同时考虑了CPU/IO和nice，总是找vruntime最小的线程调度。

vruntime = pruntime/weight × 1024

vruntime是虚拟运行时间，pruntime是物理运行时间，weight权重由nice值决定(nice越低权重越高)，则运行时间少、nice值低的的线程vruntime小，将得到优先调度。这是一个随运行而动态变化的过程。

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