1、多任务

1. 什么是多任务操作系统？
   能同时并发地交互执行多个进程。注意是并发而不是并行。特别地，在多处理机机器上可以实现真正意义上的并行，因为它长了多个脑子
2. 多任务操作系统有哪些分类？
   非抢占式多任务（cooperative multitasking）和抢占式多任务（preemptive multitasking）
3. 什么是抢占式多任务？
   在该模式下，调度程序可以决定哪个进程停止，这个强制的挂起动作称作为抢占（preemption），这么做的目的是把处理机让给更应该被执行的进程。还有一个名词称作为时间片（timeslice），它是分配给每个可运行进程的处理器时间段。Linux内核是抢占式多任务操作系统
4. 什么是非抢占多任务？
   除非是进程自己停下来，否则它会一直执行，进程主动挂起的操作称作为让步(yielding)。这个不重要，Linux内核不是这样的。

2、Linux的进程调度

1. Linux的进程调度的算法是什么？
   • Linux 2.4 非常简陋
   • Linux 2.5 O(1)调度程序；适用于大服务器的工作负载，不适用于有很多交互程序需要运行的桌面系统
   • Linux 2.6 反转楼梯最后期限调度算法（Rotating Staircase Deadline scheduler）(RSDL) 解决了Linux 2.5的缺点
   • Linux 2.6.23 更名为：完全公平调度算法(Completely Fair Schduler)（CFS）

3、策略

进程调度策略决定了进程运行的时机

• I/O消耗型和处理器消耗型的进程
  1. 什么是I/O消耗型进程？
     大部分时间用来提交I/O请求或者是等待I/O请求，例如：多数用户图形界面程序（GUI）
  2. 什么是处理器消耗型进程？
     大部分时间用于执行代码上，除非被抢占，否则会一直不断运行。例如：MATLAB
  3. Linux进程调度策略更倾向于哪种进程？
     更倾向于I/O消耗型程序，以提供更好的程序响应速度。但调度程序也并未忽略处理器消耗型的进程
  4. 调度策略需要解决的矛盾是什么？
     寻找二者的平衡：进程响应速度（响应时间短）& 最大系统利用率（高吞吐量）
• 进程优先级
  1. 设置进程优先级有什么用？
     用户和系统都可以通过设置进程的优先级来影响系统的调度。具体的调度策略后面会讲。
  2. Linux采用了几种优先级范围？
     两种，分别是nice值和实时优先级。
  3. 什么是nice值？
     在Linux系统中，nice值代表时间片的比例。nice值的范围是[-20,19]，数值越低表明进程优先级越高。
  4. 什么是实时优先级？
     实时优先级的范围是[0,99]，数值越高表明进程优先级越高。任何实时进程的优先级都高于普通进程，也就是说实时优先级和nice优先级处于两个互不相交的范畴。
  5. 感悟
     很显然，有实时要求的进程肯定比普通进程来更重要。
• 时间片
  1. 什么是时间片？
     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。
  2. Linux调度器分配时间片的方式是什么？
     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了进程。此外，这个比例也会收到进程nice值的影响，进程优先级越高能抢得更多的比例，反之亦反。
  3. 如何判断当前进程是否可以被抢占？
     if(新可运行程序消耗的处理器时间比 < 当前运行的进程) 新进程立刻投入运行，抢占当前进程。
     else 推迟新可运行程序运行。
• 调度策略的活动
  一句话：CFS要平衡I/O消耗型进程和处理机消耗型进程。CFS总是会毫不犹豫地让I/O消耗型进程在需要时被投入运行，而处理机消耗型进程则只能在剩下的时刻运行。

4、Linux调度算法

• 调度器类
  1. 什么是调度器类？
     调度器类允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。
  2. 为什么要引入上面这个概念？
     完全公平调度（CFS）就是一个针对普通进程的调度类，这个是本节的重点内容。
• Unix系统中的进程调度
  1. Unix系统中的进程调度是什么样子的？
     在Unix系统上，进程调度与进程优先级（nice值）和时间片这两个概念密切相关，这样会出现一个影响公平性的问题——分配绝对的时间片引发了固定的切换频率。那么就引入了下面关于CFS的讨论。
• 公平调度（CFS）
  1. CFS的出发点是什么？
     进程调度的效果如同系统具备一个理想中的完美多任务处理器，在这个系统中，每个进程能获得1/n的处理器时间（n为进程数量），并且系统调度给他们无限小的时间周期。
  2. 现实中CFS是什么样的？
     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进程，不再采用时间片分配方式。
  3. CFS还关心时间片吗？
     当然，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置了一个目标——“时间延迟”。例如：将时间延迟设置为20ms，则如果有4个同样优先级的任务，每个任务运行时间为5ms。
  4. 接着上面的问题，当可运行任务数量趋于无限，则它们各自所获得的处理器比和时间片都将趋于0，这样回导致巨大的进程切换消耗时间。所有，如何解决这个问题？
     CFS引你入每个进程获得的时间片底线——最小粒度，默认为1ms，这样可以确保进程切换的额消耗时间在合理的范围内。
  5. nice值在CFS中的用处是什么，具体的用法？
     作为进程获得处理器运行比的权重。任何进程所获得的处理器时间是由他自己和其他可运行进程nice值的差值决定的，而不是绝对值。例如：时间延迟设置为20ms。P1的nice为0，P2的nice为5，则它们获得15ms和5ms的处理器时间。P1的nice为10，P2的nice为15，则它们还是获得15ms和5ms的处理器时间。

5、Linux调度的实现

• 时间记账
  • 调度器实体结构（略）
  • 虚拟实时
    1. 什么是vruntime变量
       vruntime变量存放进程的虚拟运行时间，CFS使用vruntime变量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。
• 进程选择
  1. 如何选择进程？
     选择具有最小vruntime的任务运行。
  2. 如何找到最小vruntime的进程？
     CFS使用红黑树来组织可运行进程队列，并利用其迅速找到最小vruntime值的进程。
• 调度器入口
  进程调度的主要入口点函数是schedule()，它的作用是选择哪个进程可以运行，何时将其投入运行。
• 睡眠和唤醒
  1. 什么是睡眠？
     就是进程阻塞。比如：进程在获取键盘输入时需要等待，此时进程把自己标记为休眠状态。从可执行红黑树中移除，放入等待队列。
  2. 什么是唤醒？
     就是睡眠的逆过程。进程被设置为可执行状态，然后从等待队列移到可执行红黑树中。
  3. 如何形象理解睡眠与唤醒？

6、抢占和上下文切换

• 上下文切换
  1. 什么是上下文切换？
     从一个可执行进程切换到另一个可执行进程的过程。由<kernel/sched.c>中的context_switch()函数负责处理。
  2. 什么时候由谁调用context_switch()函数？
     当一个新的进程被选处理准备投入运行的时候，schedule()就会调用该函数。
  3. context_switch()函数具体完成了哪些工作？
     • 调用声明在<asm/mmu_context.h>中的switch_mm()，负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新进程中。
     • 调用声明在<asm/system.h>中的switch_to()，该函数负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。
  4. 内核怎么知道在什么时候调用schedule()？
     内核提供了一个重要的标志——need_resched，用于表明是否需要重新执行一次调度。
  5. need_resched标志什么时候会被设置？
     • 当某个进程应该被抢占时，scheduler_tick()就会设置这个标志。
     • 当一个优先级高的进程进入可执行状态的时候，try_to_wake_up()也会设置这个标志
  6. 每个进程都有need_resched标志吗？
     是的，因为访问进程描述符内的数值要比访问全局变量快（current宏速度很快并且进程描述符通常在高速缓存里）
• 用户抢占
  1. 什么是用户抢占？
     内核即将返回用户空间的时候，如果need_resched标志被设置，就会导致schedule()被调用，此时就会发生用户抢占。
  2. 什么时候产生用户抢占？
  • 从系统调用返回用户空间时
  • 从中断处理程序返回用户空间时
• 内核抢占
  1. 什么是内核抢占？
     如果没有持有锁，正在执行的代码是可以重新导入的，也就是可以抢占的。具体来讲就是：need_resched被设置并且preempt_count为0（preempt_count表征上锁的次数。上锁+1，解锁-1）
  2. 什么时候产生内核抢占？
  • 中断处理程序正在执行，且返回内核空间之前
  • 内核代码再一次具有可抢占性的时候
  • 内核中的任务显式调用schedule()
  • 内核中的任务阻塞（同样会导致调用了schedule()）

7、实时调度策略

1. Linux提供了那种实时调度策略？它们被CFS调度器管理吗？
   Linux提供了两种实时调度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR，它们不被CFS调度器管理，而是被一种特殊的实时调度器管理。
2. Linux非实时调度策略是什么？
   SCHED_NORMAL
3. 什么是SCHED_FIFO调度算法？
   • SCHED_FIFO实现了先入先出的调度算法，不使用时间片。
   • SCHED_FIFO级的进程比任何SCHED_NORMAL级的进程优先级高。只要有SCHED_FIFO级进程在执行，其他级别更低的进程只能等待它变成不可运行状态后才有机会执行。
   • 只有更高优先级的SCHED_FIFO或SCHED_RR才能抢占SCHED_FIFO任务
   • 如果多个同优先级的 SCHED_FIFO级进程,它们会轮流执行。
   • SCHED_FIFO级进程处于可执行状态，就会一直执行下去，直到自己受到阻塞或者显式地释放处理器为止。
4. 什么是SCHED_RR调度算法？
   • SCHED_RR调度算法是带有时间片的SCHED_FIFO，即SCHED_RR是一种实时轮转调度算法。
   • 时间片只能用来重新调度同一优先级的进程，当SCHED_RR任务耗尽它的时间片时，在同一优先级的其他实时进程被轮流调度。
   • 对于SCHED_RR进程，高优先级总是立即抢占低优先级，但低优先级决不能抢占高优先级任务，即便时间片耗尽。
5. 什么是软实时，什么是硬实时，Linux提供的是哪种？
   • Linux的实时调度算法提供了一种软实时的工作方式
   • 软实时：内核调度进程，尽力使进程在它的限定时间到来之前运行，但内核不保证总能满足这些进程的要求。
   • 硬实时：保证在一定条件下，可以满足任何调度的要求。
6. 实时优先级的调度范围是多少？
   [0,MAX_RT_PRIO-1]，默认MAX_RT_PRIO为100，即默认为[0,99]
7. SCHED_NORMAL级进程的nice值与前一个问题有何关联？
   SCHED_NORMAL级进程的nice值共享了实时优先级的取值空间。它的范围使[MAX_RT_PRIO,MAX_RT_PRIO+40]，即默认为实时优先级的[100,139]，对应nice值的范围为[-20,19]

8、与调度相关的系统调用

略