Linux系统的进程调度

Linux系统的进程调度,第1张

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。

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。


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原文地址: https://outofmemory.cn/yw/7566941.html

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