Linux 学习笔记—进程调度及算法

桃扇骨 2022-05-15 16:04 223阅读 0赞

## 5 进程调度 ##

**Linux进程调度的目标**

1.高效性：高效意味着在相同的时间下要完成更多的任务。调度程序会被频繁的执行，所以调度程序要尽可能的高效；

2.加强交互性能:在系统相当的负载下，也要保证系统的响应时间；

3.保证公平和避免饥渴；

4.SMP调度：调度程序必须支持多处理系统；

5.软实时调度：系统必须有效的调用实时进程，但不保证一定满足其要求；

## 5.1 多任务 ##

1、多任务操作系统就是能同时并发的交互执行多个进程的操作系统。  
　　2、多任务操作系统使多个进程处于堵塞或者睡眠状态，实际不被投入执行，这些任务尽管位于内存，但是并不处于可运行状态。  
　　3、多任务系统分类：  
　　　　（1）非抢占式多任务  
　　　　（2）抢占式多任务  
　　4、Linux提供了抢占式的多任务模式。在此模式下，由调度程序来决定什么时候停止一个进程的运行，以便其他进程能够得到执行机会。这个强制的挂起动作叫做抢占。进程被抢占之前能够运行的时间是预先设置好的，叫进程的时间片–进程（被抢占前）能够运行的时间。时间片实际上就是分配给每个可运行进程的处理器时间段。  
5、在非抢占式多任务模式下，除非进程自己主动停止运行，否则它会一直执行。进程主动挂起自己的操作称为让步。但这种机制有很多缺点：调度程序无法躲每个进程该执行多长时间作出统一规定，所以进程独占的处理器时间可能会超过用户的预料：更糟的是，一个绝不做出让步的悬挂进程就能使系统崩溃。

## 5.2 Linux的进程调度 ##

1、O(1)调度器拥有数以十计的多处理器的环境，但缺少交互进程。  
　　2、反转楼梯最后期限调度算法（RSDL），吸取了队列理论，公平调度。又被称为完美公平调度算法（CFS）。

## 5.3 策略 ##

1、决定调度程序在何时让进程运行。  
5.3.1 I/O消耗型和处理器消耗型的进程  
　　1、进程可以分为：  
　　　　（1）I/O消耗型：进程的大部分时间用来提交I/O请求或者等待I/O请求，经常处于可运行状态但是运行时间很短，等待更多的请求时最后总会阻塞。  
　　　　（2）处理器消耗型：把时间大多用在执行代码上，除非被抢占，否则通常都会不停地运行。因为它们没有太多的I/O需求。不属于I/O驱动类型。  
　　2、调度策略：尽量降低它们的调度频率，延长其运行时间。  
　　3、调度策略通常要在两个矛盾的目标中间寻找平衡：  
　　　　（1）进程调度迅速（响应时间短）  
　　　　（2）最大系统利用率（高吞吐量）  
　　4、Linux倾向于优先调度I/O消耗型进程。  
5.3.2 进程优先级  
　　1、调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度，这是一种根据进程的价值和其对处理器时间的需求来对进程分级的想法。  
　　2、调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。  
　　3、 Linux采用了两种不同的优先级范围：  
　　　　（1）nice  
　　　　　　范围\[-20,19\]，默认值为0；nice值越大，优先级越低；  
　　　　　　Linux系统中nice值代表时间片的比例，可以通过ps-el命令查看系统中进程列表，结果中标记NI的一列及时进程对应的nice值。  
　　　　（2）实时优先级  
　　　　　　其值可以配置，默认变化范围是\[0,99\]；值越高优先级越高；  
　　4、任何实时进程的优先级都高于普通的进程，也就是说实时优先级和nice优先级处于互不相交的两个范畴。  
　　5、通过命令ps-eo state,uid,pid,ppid,rtprio,time,comm.查看系统中的进程列表以及对应的实时优先级（位于RTPRIO列下），其中如果有进程对应列显示“-”则说明它不是实时进程。  
5.3.3 时间片  
　　1、时间片表示进程在被抢占前所能持续运行的时间。  
　　2、I/O消耗型进程不需要很长的时间片，而处理器消耗型进程希望时间片越长越好。  
　　3、Linux的CFS调度器没有直接分配时间片到进程，而是将处理器的使用比划分给进程。这样一来，进程所获得的处理器时间和系统负载密切相关。这个比例受nice值影响，nice值作为权重来调整进程所使用的处理器时间使用比。  
　　4、Linux系统是抢占式的，是否要将一个进程立刻投入运行（也就是抢占当前进程），是完全由进程的优先级和是否有时间片来决定。  
　　5、CFS调度器：抢占时机取决于新的可执行程序消耗了多少处理器使用比，如果消耗的使用比当前进程小：新程序立刻投入运行，抢占当前进程，否则推迟。  
5.3.4 调度策略的活动  
　　1、文字编辑程序显然是 1/0 消耗型的，因为它大部分时间都在等待用户的键盘输入（无论用户的输入速度有多快，都不可能赶上处理的速度）用户总是希望按下键系统就能马上响应。  
　　2、视频编码程序是处理器消耗型的。  
　　3、CFS总是会毫不犹豫地让文本编辑器在需要时被投入运行，而让视频处理程序只能在剩下的时刻运行。

## 5.4 Linux调度算法 ##

5.4.1 调度器类  
　　1、Linux调度器是以模块方式提供，目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。这种模块化结构被称为调度器类，它允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程。  
　　2、基础的调度器代码定义在kernel/sched.c文件中。  
　　3、每个调度器有一个优先级，会按照优先级顺序遍历调度类，选择优先级最高的调度器类。  
　　4、完全公平调度CFS是一个针对普通进程的调度类。  
5.4.2 Unix系统中的进程调度  
　　1、Unix使用的调度算法是分配绝对的时间片，这样就会引发固定的切换频率，不利于公平性。而Linux采用的CFS完全摒弃了时间片，分配给进程一个处理器使用比重，保证恒定的公平性和变动的切换频率。  
5.4.3 公平调度  
　　1、CFS的做怯是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，而不再采用分配给每个进程时间片的做法了，在所有可运行进程总数基础上计算出一个进程应该运行多久。而不是依靠nice 值来计算时间片。  
　　2、nice 值在 CFS 中被作为进程获得的处理器运行比的权重：越高的nice 值（越低的优先级）进程获得更低的处理器使用权重。  
　　3、目标延迟：无限小调度周期的近似值  
　　4、最小粒度：每个进程获得的时间片底线，默认为1ms。  
　　5、任何进程所获得的处理器时间是由它自己和其他所有可运行进程nice 值的相对差值决定的。  
5.5 Linux调度的实现  
　　1、CFS调度算法的实现：  
　　四个组成部分：  
　　　　（1）时间记账  
　　　　（2）进程选择  
　　　　（3）调度器入口  
　　　　（4）睡眠和唤醒