怎么進行Linux進程調度淺析

本篇文章為大家展示了怎么進行Linux進程調度淺析，內容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

操作系統要實現多進程，進程調度必不可少。進程調度是對TASK_RUNNING狀態的進程進行調度（。如果進程不可執行（正在睡眠或其他），那么它跟進程調度沒多大關系。

所以，如果你的系統負載非常低，盼星星盼月亮才出現一個可執行狀態的進程。那么進程調度也就不會太重要。哪個進程可執行，就讓它執行去，沒有什么需要多考慮的。

反之，如果系統負載非常高，時時刻刻都有N多個進程處于可執行狀態，等待被調度運行。那么進程調度程序為了協調這N個進程的執行，必定得做很多工作。協調得不好，系統的性能就會大打折扣。這個時候，進程調度就是非常重要的。

盡管我們平常接觸的很多計算機（如桌面系統、網絡服務器、等）負載都比較低，但是linux作為一個通用操作系統，不能假設系統負載低，必須為應付高負載下的進程調度做精心的設計。

當然，這些設計對于低負載（且沒有什么實時性要求）的環境，沒多大用。極端情況下，如果CPU的負載始終保持0或1（永遠都只有一個進程或沒有進程需要在CPU上運行），那么這些設計基本上都是徒勞的。

優先級

現在的操作系統為了協調多個進程的“同時”運行，最基本的手段就是給進程定義優先級。定義了進程的優先級，如果有多個進程同時處于可執行狀態，那么誰優先級高誰就去執行，沒有什么好糾結的了。

那么，進程的優先級該如何確定呢？有兩種方式：由用戶程序指定、由內核的調度程序動態調整。（下面會說到）

linux內核將進程分成兩個級別：普通進程和實時進程。實時進程的優先級都高于普通進程，除此之外，它們的調度策略也有所不同。

實時進程的調度

實時，原本的涵義是“給定的操作一定要在確定的時間內完成”。重點并不在于操作一定要處理得多快，而是時間要可控（在最壞情況下也不能突破給定的時間）。

這樣的“實時”稱為“硬實時”，多用于很精密的系統之中（比如什么火箭、導彈之類的）。一般來說，硬實時的系統是相對比較專用的。

像linux這樣的通用操作系統顯然沒法滿足這樣的要求，中斷處理、虛擬內存、等機制的存在給處理時間帶來了很大的不確定性。硬件的cache、磁盤尋道、總線爭用、也會帶來不確定性。

比如考慮“i++;”這么一句C代碼。絕大多數情況下，它執行得很快。但是極端情況下還是有這樣的可能：

1、i的內存空間未分配，CPU觸發缺頁異常。而linux在缺頁異常的處理代碼中試圖分配內存時，又可能由于系統內存緊缺而分配失敗，導致進程進入睡眠；

2、代碼執行過程中硬件產生中斷，linux進入中斷處理程序而擱置當前進程。而中斷處理程序的處理過程中又可能發生新的硬件中斷，中斷永遠嵌套不止……；等等……

而像linux這樣號稱實現了“實時”的通用操作系統，其實只是實現了“軟實時”，即盡可能地滿足進程的實時需求。

如果一個進程有實時需求（它是一個實時進程），則只要它是可執行狀態的，內核就一直讓它執行，以盡可能地滿足它對CPU的需要，直到它完成所需要做的事情，然后睡眠或退出（變為非可執行狀態）。

而如果有多個實時進程都處于可執行狀態，則內核會先滿足優先級最高的實時進程對CPU的需要，直到它變為非可執行狀態。于是，只要高優先級的實時進程一直處于可執行狀態，低優先級的實時進程就一直不能得到CPU；只要一直有實時進程處于可執行狀態，普通進程就一直不能得到CPU。

（后來，內核添加了/proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us和/proc/sys/kernel/sched_rt_period_us兩個參數，限定了在以sched_rt_period_us為周期的時間內，實時進程最多只能運行sched_rt_runtime_us這么多時間。這樣就在一直有實時進程處于可執行狀態的情況下，給普通進程留了一點點能夠得到執行的機會。參閱《linux組調度淺析》。）

那么，如果多個相同優先級的實時進程都處于可執行狀態呢？這時就有兩種調度策略可供選擇：

1、SCHED_FIFO：先進先出。直到先被執行的進程變為非可執行狀態，后來的進程才被調度執行。在這種策略下，先來的進程可以行sched_yield系統調用，自愿放棄CPU，以讓權給后來的進程；

2、SCHED_RR：輪轉調度。內核為實時進程分配時間片，在時間片用完時，讓下一個進程使用CPU；

強調一下，這兩種調度策略僅僅針對于相同優先級的多個實時進程同時處于可執行狀態的情況。

在linux下，用戶程序可以通過sched_setscheduler系統調用來設置進程的調度策略以及相關調度參數；sched_setparam系統調用則只用于設置調度參數。這兩個系統調用要求用戶進程具有設置進程優先級的能力（CAP_SYS_NICE，一般來說需要root權限）（參閱capability相關的文章）。

通過將進程的策略設為SCHED_FIFO或SCHED_RR，使得進程變為實時進程。而進程的優先級則是通過以上兩個系統調用在設置調度參數時指定的。

對于實時進程，內核不會試圖調整其優先級。因為進程實時與否？有多實時？這些問題都是跟用戶程序的應用場景相關，只有用戶能夠回答，內核不能臆斷。

綜上所述，實時進程的調度是非常簡單的。進程的優先級和調度策略都由用戶定死了，內核只需要總是選擇優先級最高的實時進程來調度執行即可。唯一稍微麻煩一點的只是在選擇具有相同優先級的實時進程時，要考慮兩種調度策略。

普通進程的調度

實時進程調度的中心思想是，讓處于可執行狀態的最高優先級的實時進程盡可能地占有CPU，因為它有實時需求；而普通進程則被認為是沒有實時需求的進程，于是調度程序力圖讓各個處于可執行狀態的普通進程和平共處地分享CPU，從而讓用戶覺得這些進程是同時運行的。

與實時進程相比，普通進程的調度要復雜得多。內核需要考慮兩件麻煩事：

一、動態調整進程的優先級

按進程的行為特征，可以將進程分為“交互式進程”和“批處理進程”：

交互式進程（如桌面程序、服務器、等）主要的任務是與外界交互。這樣的進程應該具有較高的優先級，它們總是睡眠等待外界的輸入。而在輸入到來，內核將其喚醒時，它們又應該很快被調度執行，以做出響應。比如一個桌面程序，如果鼠標點擊后半秒種還沒反應，用戶就會感覺系統“卡”了；

批處理進程（如編譯程序）主要的任務是做持續的運算，因而它們會持續處于可執行狀態。這樣的進程一般不需要高優先級，比如編譯程序多運行了幾秒種，用戶多半不會太在意；

如果用戶能夠明確知道進程應該有怎樣的優先級，可以通過nice、setpriority（非實時進程優先級的設置）系統調用來對優先級進行設置。（如果要提高進程的優先級，要求用戶進程具有CAP_SYS_NICE能力。

然而應用程序未必就像桌面程序、編譯程序這樣典型。程序的行為可能五花八門，可能一會兒像交互式進程，一會兒又像批處理進程。以致于用戶難以給它設置一個合適的優先級。再者，即使用戶明確知道一個進程是交互式還是批處理，也多半礙于權限或因為偷懶而不去設置進程的優先級。（你又是否為某個程序設置過優先級呢？）

于是，最終，區分交互式進程和批處理進程的重任就落到了內核的調度程序上。

調度程序關注進程近一段時間內的表現（主要是檢查其睡眠時間和運行時間），根據一些經驗性的公式，判斷它現在是交互式的還是批處理的？程度如何？最后決定給它的優先級做一定的調整。

進程的優先級被動態調整后，就出現了兩個優先級：

1、用戶程序設置的優先級（如果未設置，則使用默認值），稱為靜態優先級。這是進程優先級的基準，在進程執行的過程中往往是不改變的；

2、優先級動態調整后，實際生效的優先級。這個值是可能時時刻刻都在變化的；

二、調度的公平性

在支持多進程的系統中，理想情況下，各個進程應該是根據其優先級公平地占有CPU。而不會出現“誰運氣好誰占得多”這樣的不可控的情況。

linux實現公平調度基本上是兩種思路：

1、給處于可執行狀態的進程分配時間片（按照優先級），用完時間片的進程被放到“過期隊列”中。等可執行狀態的進程都過期了，再重新分配時間片；

2、動態調整進程的優先級。隨著進程在CPU上運行，其優先級被不斷調低，以便其他優先級較低的進程得到運行機會；
 

后一種方式有更小的調度粒度，并且將“公平性”與“動態調整優先級”兩件事情合而為一，大大簡化了內核調度程序的代碼。因此，這種方式也成為內核調度程序的新寵。

強調一下，以上兩點都是僅針對普通進程的。而對于實時進程，內核既不能自作多情地去動態調整優先級，也沒有什么公平性可言。

普通進程具體的調度算法非常復雜，并且隨linux內核版本的演變也在不斷更替（不僅僅是簡單的調整），所以本文就不繼續深入了。有興趣的朋友可以參考下面的鏈接：《Linux 調度器發展簡述》

調度程序的效率

“優先級”明確了哪個進程應該被調度執行，而調度程序還必須要關心效率問題。調度程序跟內核中的很多過程一樣會頻繁被執行，如果效率不濟就會浪費很多CPU時間，導致系統性能下降。

在linux 2.4時，可執行狀態的進程被掛在一個鏈表中。每次調度，調度程序需要掃描整個鏈表，以找出最優的那個進程來運行。復雜度為O(n)；

在linux 2.6早期，可執行狀態的進程被掛在N(N=140)個鏈表中，每一個鏈表代表一個優先級，系統中支持多少個優先級就有多少個鏈表。每次調度，調度程序只需要從第一個不為空的鏈表中取出位于鏈表頭的進程即可。這樣就大大提高了調度程序的效率，復雜度為O(1)；

在linux 2.6近期的版本中，可執行狀態的進程按照優先級順序被掛在一個紅黑樹（可以想象成平衡二叉樹）中。每次調度，調度程序需要從樹中找出優先級最高的進程。復雜度為O(logN)。

那么，為什么從linux 2.6早期到近期linux 2.6版本，調度程序選擇進程時的復雜度反而增加了呢？

這是因為，與此同時，調度程序對公平性的實現從上面提到的第一種思路改變為第二種思路（通過動態調整優先級實現）。而O(1)的算法是基于一組數目不大的鏈表來實現的，按我的理解，這使得優先級的取值范圍很小（區分度很低），不能滿足公平性的需求。而使用紅黑樹則對優先級的取值沒有限制（可以用32位、64位、或更多位來表示優先級的值），并且O(logN)的復雜度也還是很高效的。

調度觸發的時機

調度的觸發主要有如下幾種情況：

1、當前進程（正在CPU上運行的進程）狀態變為非可執行狀態。

進程執行系統調用主動變為非可執行狀態。比如執行nanosleep進入睡眠、執行exit退出、等等；

進程請求的資源得不到滿足而被迫進入睡眠狀態。比如執行read系統調用時，磁盤高速緩存里沒有所需要的數據，從而睡眠等待磁盤IO；

進程響應信號而變為非可執行狀態。比如響應SIGSTOP進入暫停狀態、響應SIGKILL退出、等等；

2、搶占。進程運行時，非預期地被剝奪CPU的使用權。這又分兩種情況：進程用完了時間片、或出現了優先級更高的進程。

優先級更高的進程受正在CPU上運行的進程的影響而被喚醒。如發送信號主動喚醒，或因為釋放互斥對象（如釋放鎖）而被喚醒；

內核在響應時鐘中斷的過程中，發現當前進程的時間片用完；

內核在響應中斷的過程中，發現優先級更高的進程所等待的外部資源的變為可用，從而將其喚醒。比如CPU收到網卡中斷，內核處理該中斷，發現某個socket可讀，于是喚醒正在等待讀這個socket的進程；再比如內核在處理時鐘中斷的過程中，觸發了定時器，從而喚醒對應的正在nanosleep系統調用中睡眠的進程；

其他問題

1、內核搶占

理想情況下，只要滿足“出現了優先級更高的進程”這個條件，當前進程就應該被立刻搶占。但是，就像多線程程序需要用鎖來保護臨界區資源一樣，內核中也存在很多這樣的臨界區，不大可能隨時隨地都能接收搶占。

linux 2.4時的設計就非常簡單，內核不支持搶占。進程運行在內核態時（比如正在執行系統調用、正處于異常處理函數中），是不允許搶占的。必須等到返回用戶態時才會觸發調度（確切的說，是在返回用戶態之前，內核會專門檢查一下是否需要調度）；

linux 2.6則實現了內核搶占，但是在很多地方還是為了保護臨界區資源而需要臨時性的禁用內核搶占。

也有一些地方是出于效率考慮而禁用搶占，比較典型的是spin_lock。spin_lock是這樣一種鎖，如果請求加鎖得不到滿足（鎖已被別的進程占有），則當前進程在一個死循環中不斷檢測鎖的狀態，直到鎖被釋放。

為什么要這樣忙等待呢？因為臨界區很小，比如只保護“i+=j++;”這么一句。如果因為加鎖失敗而形成“睡眠-喚醒”這么個過程，就有些得不償失了。那么既然當前進程忙等待（不睡眠），誰又來釋放鎖呢？其實已得到鎖的進程是運行在另一個CPU上的，并且是禁用了內核搶占的。這個進程不會被其他進程搶占，所以等待鎖的進程只有可能運行在別的CPU上。（如果只有一個CPU呢？那么就不可能存在等待鎖的進程了。）

而如果不禁用內核搶占呢？那么得到鎖的進程將可能被搶占，于是可能很久都不會釋放鎖。于是，等待鎖的進程可能就不知何年何月得償所望了。

對于一些實時性要求更高的系統，則不能容忍spin_lock這樣的東西。寧可改用更費勁的“睡眠-喚醒”過程，也不能因為禁用搶占而讓更高優先級的進程等待。比如，嵌入式實時linux montavista就是這么干的。

由此可見，實時并不代表高效。很多時候為了實現“實時”，還是需要對性能做一定讓步的。

2、多處理器下的負載均衡

前面我們并沒有專門討論多處理器對調度程序的影響，其實也沒有什么特別的，就是在同一時刻能有多個進程并行地運行而已。那么，為什么會有“多處理器負載均衡”這個事情呢？

如果系統中只有一個可執行隊列，哪個CPU空閑了就去隊列中找一個最合適的進程來執行。這樣不是很好很均衡嗎？

的確如此，但是多處理器共用一個可執行隊列會有一些問題。顯然，每個CPU在執行調度程序時都需要把隊列鎖起來，這會使得調度程序難以并行，可能導致系統性能下降。而如果每個CPU對應一個可執行隊列則不存在這樣的問題。

另外，多個可執行隊列還有一個好處。這使得一個進程在一段時間內總是在同一個CPU上執行，那么很可能這個CPU的各級cache中都緩存著這個進程的數據，很有利于系統性能的提升。

所以，在linux下，每個CPU都有著對應的可執行隊列，而一個可執行狀態的進程在同一時刻只能處于一個可執行隊列中。

于是，“多處理器負載均衡”這個麻煩事情就來了。內核需要關注各個CPU可執行隊列中的進程數目，在數目不均衡時做出適當調整。什么時候需要調整，以多大力度進程調整，這些都是內核需要關心的。當然，盡量不要調整最好，畢竟調整起來又要耗CPU、又要鎖可執行隊列，代價還是不小的。

另外，內核還得關心各個CPU的關系。兩個CPU之間，可能是相互獨立的、可能是共享cache的、甚至可能是由同一個物理CPU通過超線程技術虛擬出來的……CPU之間的關系也是實現負載均衡的重要依據。關系越緊密，進程在它們之間遷移的代價就越小。參見《linux內核SMP負載均衡淺析》。

3、優先級繼承

由于互斥，一個進程（設為A）可能因為等待進入臨界區而睡眠。直到正在占有相應資源的進程（設為B）退出臨界區，進程A才被喚醒。

可能存在這樣的情況：A的優先級非常高，B的優先級非常低。B進入了臨界區，但是卻被其他優先級較高的進程（設為C）搶占了，而得不到運行，也就無法退出臨界區。于是A也就無法被喚醒。

A有著很高的優先級，但是現在卻淪落到跟B一起，被優先級并不太高的C搶占，導致執行被推遲。這種現象就叫做優先級反轉。

出現這種現象是很不合理的。較好的應對措施是：當A開始等待B退出臨界區時，B臨時得到A的優先級（還是假設A的優先級高于B），以便順利完成處理過程，退出臨界區。之后B的優先級恢復。這就是優先級繼承的方法。

為了實現優先級繼承，內核又得做很多事情。更細節的東西可以參考一下關于“優先級反轉”或“優先級繼承”的文章。

4、中斷處理線程化

在linux下，中斷處理程序運行于一個不可調度的上下文中。從CPU響應硬件中斷自動跳轉到內核設定的中斷處理程序去執行，到中斷處理程序退出，整個過程是不能被搶占的。

一個進程如果被搶占了，可以通過保存在它的進程控制塊（task_struct）中的信息，在之后的某個時間恢復它的運行。而中斷上下文則沒有task_struct，被搶占了就沒法恢復了。

中斷處理程序不能被搶占，也就意味著中斷處理程序的“優先級”比任何進程都高（必須等中斷處理程序完成了，進程才能被執行）。但是在實際的應用場景中，可能某些實時進程應該得到比中斷處理程序更高的優先級。

于是，一些實時性要求更高的系統就給中斷處理程序賦予了task_struct以及優先級，使得它們在必要的時候能夠被高優先級的進程搶占。但是顯然，做這些工作是會給系統造成一定開銷的，這也是為了實現“實時”而對性能做出的一種讓步。

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