進程調(diào)度

調(diào)度程序復(fù)雜決定哪個進程投入運行，合適運行以及運行時長。調(diào)度程序可看做在可運行態(tài)進程之間分配有限的處理器時間資源內(nèi)核子系統(tǒng)。只有通過調(diào)度程序的合理調(diào)度，系統(tǒng)資源才能最大程度地發(fā)揮作用，多進程才會有并發(fā)執(zhí)行的效果。

1.多任務(wù)

多任務(wù)就是操作系統(tǒng)能同時并發(fā)地交互執(zhí)行多個進程。實際上是使多個任務(wù)處于阻塞或睡眠狀態(tài)，這些任務(wù)位于內(nèi)存，但是并不處于可運行狀態(tài)，知道某一時間發(fā)生。Linux系統(tǒng)中往往有多個程序在內(nèi)存，但是僅有一個處于可運行狀態(tài)。

多任務(wù)系統(tǒng)劃分為兩類：搶占式和非搶占式。Linux采用搶占式多任務(wù)模式，進程在被搶占之前能夠運行一定時間，這個時間稱為時間片(timeslice)。從全局角度來看，合理調(diào)整時間片可以優(yōu)化系統(tǒng)資源的使用效率。

2.調(diào)度策略

調(diào)度策略決定進程何時運行以及處理器使用時間，因此調(diào)度器的策略往往決定系統(tǒng)的整體印象。

I/O消耗型和處理器消耗型進程

進程分為I/O消耗型，處理器消耗型，以及混合型。I/O消耗型大部分時間用于等待或提交I/O請求，因此這種類型特點就是頻繁需要處于運行態(tài)，但是運行時間很短，例如用戶圖形界面；處理器消耗型，很少需要I/O，主要是占用大量CPU時間，用于計算，例如Matlab；混合型，例如字處理器，通常等待鍵盤輸入，同時大量占用CPU進行拼寫檢查和宏計算。

針對不同類型的進程需要不同的調(diào)度策略，考慮進程的主要需求是響應(yīng)迅速還是高吞吐量。

進程優(yōu)先級

Linux采用兩種不同的優(yōu)先級范圍：nice值和實時優(yōu)先級。nice值越小表明優(yōu)先級越高，實時優(yōu)先級正好相反(值越大優(yōu)先級越高)，同時實時性進程的優(yōu)先級高于非實時性進程。

時間片

前面說了時間片是進程被搶占前所能持續(xù)運行的時間，在Linux中，時間片不是一個定值，而是根據(jù)nice值分配處理器的使用比例，所以時間片跟系統(tǒng)負載相關(guān)。nice值越大的進程，時間片就越小。

對于Linux中使用的CFS調(diào)度器，其搶占時機取決于新的可運行程序消耗了多少處理器使用比。若消耗的使用比比當(dāng)前進程小，則搶占處理器立刻投入運行。否則，推遲其運行。

3.Linux調(diào)度的實現(xiàn)

Linux的CFS調(diào)度算法實現(xiàn)主要有4個組成部分：

• 時間記賬
• 進程旋轉(zhuǎn)
• 調(diào)度器入口
• 睡眠和喚醒

時間記賬

所有調(diào)度器必須對運行時間記賬，每次系統(tǒng)時鐘節(jié)拍發(fā)生時，分配給進程的時間片減少一個節(jié)拍，當(dāng)節(jié)拍為0時，則會被另一個時間片尚未減到0的進程搶占。Linux中使用一個調(diào)度器實體結(jié)構(gòu)——sched_entity來記錄，該實體嵌入在進程描述符task_struct內(nèi)。同時CFS采用虛擬實時vruntime來度量進程的運行時間，實現(xiàn)記賬功能。

進程選擇

CFS在選擇下一個運行進程時，會挑選一個vruntime最小的進程。CFS使用紅黑樹(請翻閱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者直接看做一種高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，查找和刪除效率很高，O(log(n))的復(fù)雜度)來存儲可運行進程隊列，因此每次從紅黑樹中選擇最左邊的節(jié)點。

調(diào)度器入口

進程調(diào)度的主要入口是函數(shù)schedule()，它是內(nèi)核其他部分用于調(diào)用進程調(diào)度器的入口：選擇哪個進程可以運行，何時將其投入運行。通常schedule()都需要和一個具體的調(diào)度類相關(guān)聯(lián)，也就是說，它會找到一個最高優(yōu)先級的調(diào)度類——后者需要有自己的可運行隊列，然后詢問后者誰是下一個該運行的進程。

睡眠和喚醒

休眠(被阻塞)的進程處于特殊的不可執(zhí)行狀態(tài)，往往是等待某事件或者I/O資源。內(nèi)核對其操作：進程標(biāo)記自己為休眠狀態(tài)，從可執(zhí)行紅黑樹中移除，放入等待隊列，然后調(diào)用schedule()選擇和執(zhí)行其他一個進程。

喚醒過程剛好相反：進程被設(shè)置為可執(zhí)行狀態(tài)，然后從等待隊列中移到可執(zhí)行紅黑樹中。

4.搶占和上下文切換

上下文切換，就是從一個可執(zhí)行進程切換到另一個可執(zhí)行進程，由context_switch()函數(shù)負責(zé)處理。每當(dāng)一個新進程準(zhǔn)備投入運行的時候，schedule()都會調(diào)用該函數(shù)，其主要完成兩個工作：

• 調(diào)用switch_mm()，負責(zé)把虛擬內(nèi)存從上一個進程映射切換到新進程中
• 調(diào)用switch_to()，負責(zé)從上一個進程的處理器狀態(tài)切換到新進程的處理器狀態(tài)。包括保存、恢復(fù)棧信息和寄存器信息，還有其他與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的狀態(tài)信息，都必須以每個進程為對象進行管理和保存。

內(nèi)核還必須知道何時調(diào)用schedule()，內(nèi)核提供了一個need_resched標(biāo)志來表明是否需要重新執(zhí)行一次調(diào)度。在某個進程被搶占，優(yōu)先級高的程序進入執(zhí)行狀態(tài)，返回用戶空間以及中斷返回時，內(nèi)核會檢查need_resched標(biāo)志。每個進程都有need_resched標(biāo)志，這是因為訪問進程描述符內(nèi)數(shù)值快于全局變量。

用戶搶占

用戶搶占發(fā)生在：從系統(tǒng)調(diào)用返回用戶空間時和從中斷處理程序返回用戶空間時。

內(nèi)核搶占

Linux支持內(nèi)核搶占，在重新調(diào)度是安全的時候（沒有持有鎖，鎖是非搶占區(qū)域的標(biāo)志），內(nèi)核就可以在任何時間搶占正在執(zhí)行的任務(wù)。內(nèi)核搶占發(fā)生在：

• 中斷處理程序正在執(zhí)行，且返回內(nèi)核空間之前
• 內(nèi)核代碼再一次具有可搶占性的時候
• 內(nèi)核中任務(wù)顯示調(diào)用schedule()
• 內(nèi)核中任務(wù)阻塞

5.實時調(diào)度策略

Linux提供兩種實時調(diào)度策略：FIFO(先入先出)和RR(輪詢)兩種方式。FIFO是指先到來的任務(wù)占用處理器，直到其主動放棄，再讓第二個到來的任務(wù)占用處理器。RR與FIFO類似，但是任務(wù)耗盡其時間片后，必須由下一個任務(wù)占用處理器。

小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容，其實對于本人而言可能更為簡單一些(因為研究生期間接觸了一些無線通信的調(diào)度算法)，因此省略了一些細節(jié)，我自己也是喜歡先了解大概流程，再回頭細讀的方式學(xué)習(xí)，不然容易被細節(jié)阻礙思路。