Linux进程管理：(二)进程调度原语

文章说明：

Linux内核版本：5.0
架构：ARM64
参考资料及图片来源：《奔跑吧Linux内核》
Linux 5.0内核源码注释仓库地址：

zhangzihengya/LinuxSourceCode_v5.0_study (github.com)

进程调度的概念比较简单，假设在一个单核处理器的系统中，同一时刻只有一个进程可以拥有处理器资源，那么其他的进程只能在就绪队列（runqueue）中等待，等到处理器空闲了之后才有机会获取处理器资源来运行。在这种场景下，操作系统就需要从众多的就绪进程中选择—个最合适的进程来运行，这个就是进程调度器（scheduler）要做的事情。调度器产生的最主要原因是提高处理器的利用率（CPUutilization）

1. 进程优先级和权重

Linux操作系统最早采用nice值来调整进程的优先级。nice值的思想是要对其他进程友好，降低优先级来支持其他进程消耗更多的处理器时间，它的范围是-20~+19，默认值是0。nice值越大，优先级反而越低; nice值越低，优先级越高。nice值-20表示这个进程是非常重要的，优先级最高；而nice值19则表示允许其他进程比这个线程优先享有宝贵的CPU时间，这也是nice值的由来。

内核使用0~139的数值表示进程的优先级，数值越小，优先级越高。优先级0-99给实时进程使用， 100-139给普通进程使用。另外，在用户空间中有一个传统的变量nice，它用于映射普通进程的优先级，即100-139。

优先级在Linux内核中的划分方式如下：

普通进程的优先级：100~139
实时进程的优先级：0~99
deadline进程的优先级：-1

task_struct 数据结构中使用4个成员描述进程的优先级：

struct task_struct {
	...
	// 动态优先级，是调度类考虑的优先级
    // 0~139，值越小优先级越高
	int				prio;
	// 静态优先级，在进程启动时分配。内核不存储 nice 值，取而代之的是 static_prio
	// NICE_TO_PRIO 宏可以把nice值转换成 static_prio
	// static_prio 不会随着时间而改变，用户可以通过 nice 或 sched_setscheduler 等系统调用来修改该值
    // 100~139，值越小优先级越高
	int				static_prio;
	// 基于 static_prio 和调度策略计算出来的优先级，在创建进程时会继承父进程的 normal_prio
	// 对于普通进程，normal_prio 等同于 static_prio
	// 对于实时进程，会根据 rt_priority 重新计算 normal_prio，详见 effective_prio 函数
    // 0~139，值越小优先级越高
	int				normal_prio;
	// 实时进程的优先级
    // 0~99，值越大越高
	unsigned int			rt_priority;
	...
}

在Linux内核中除了使用优先级来表示进程的轻重缓急之外，在实际调度器里还使用权重的概念来表示进程的优先级。为了计算方便，内核约定nice值为0的进程的权重值为1024，其他nice值对应的进程的权重值可以通过查表的方式来获取，内核预先计算好了一个表 sched_prio_to_weight[40]，表中下标对应nice值[-20~19]。

const int sched_prio_to_weight[40] = {
 /* -20 */     88761,     71755,     56483,     46273,     36291,
 /* -15 */     29154,     23254,     18705,     14949,     11916,
 /* -10 */      9548,      7620,      6100,      4904,      3906,
 /*  -5 */      3121,      2501,      1991,      1586,      1277,
 /*   0 */      1024,       820,       655,       526,       423,
 /*   5 */       335,       272,       215,       172,       137,
 /*  10 */       110,        87,        70,        56,        45,
 /*  15 */        36,        29,        23,        18,        15,
};

2. 调度策略

进程调度依赖于调度策略（schedule policy），Linux内核把相同类型的调度策略抽象成调度类（schedule class）。不同类型的进程采用不同的调度策略，目前Linux内核中默认实现了5种调度类，分别是stop、deadline、realtime、CFS和idle，它们分别使用sched_class来定义，并且通过next指针串联在—起，如下图所示：

在这里插入图片描述

Linux内核支持的5个调度类的异同如下表所示：

在这里插入图片描述

相应的源码定义如下：

// 调度策略
// 分时调度策略，非实时进程的默认调度策略，Linux内核没有实现这类调度策略
#define SCHED_NORMAL		0
// 先进先出调度策略
#define SCHED_FIFO		1
// 循环调度策略，表示优先级相同的进程以循环分享时间的方式来运行
#define SCHED_RR		2
// 批处理调度，这个调度策略表示让调度器认为该进程是 CPU 消耗型的，因此，调度器对这类进程的唤醒惩罚比较小。
// 在 Linux 内核里，该类调度策略表示使用 CFS
#define SCHED_BATCH		3
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */
// 空闲调度策略，用于运行低优先级的任务
#define SCHED_IDLE		5
// 用于调度有严格时间要求的实时进程
#define SCHED_DEADLINE		6

3. 调度算法

调度算法	时间复杂度	算法思想	缺点
基于优先级的调度算法	O(n)	分配给进程时间片，时间片表示进程调度进来与调度出去之间所能持续运行的时间长度	分配多长的时间片是一个需要考虑的问题，时间片过长的话会导致交互型的进程得不到及时响应，时间片过短的话会增大进程切换带来的处理器消耗
多级反馈队列算法	O(1)	把进程按照优先级分成多个队列，相同优先级的进程在同一个队列中	参数如何确定和优化。如系统需要设计多少个优先级队列? 时间片应该设置成多少?
基于多级反馈队列的调度算法	O(1)	每个CPU各自维护一个属于自己的就绪队列，这样减少了锁的争用。就绪队列由两个优先级数组组成，即活跃（active）优先级数组和过期（expired）优先级数组，每个优先级数组包含MAX_PRIO（140）个优先级队列，也就是每个优先级对应一个队列，活跃优先级数组中所有进程用完了时间片之后，活跃优先级数组和过期优先级数组会进行互换
CFS	O(1)	CFS抛弃以前固定时间片和固定调度周期的算法，而采用进程权重值的比例来量化和计算实际运行时间。引入虚拟时间（vmntime）的概念，每个进程的虚拟时间是实际运行时间相对于nice值为0的进程的权重的比值。CFS总是选择虚拟时间最短的进程