Erlang并发机制 –进程调度

Posted 2023-02-23 夏天的技术博客

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Erlang调度器主要完成对Erlang进程的调度，它是Erlang实现软件实时和进程之间公平使用CPU的关键。Erlang运行时，有4种任务需要被调度：进程，Port，Linked-in driver，Erlang虚拟机的系统级活动。

Erlang调度器主要有以下特点：
1. 进程调度运行在用户空间 ：Erlang进程不同于操作系统进程，Erlang的进程调度也跟操作系统完全没有关系，是由Erlang虚拟机来完成的；
2. 调度是抢占式的：每一个进程在创建时，都会分配一个固定数目的reduction（R15B中，这个数量默认值是2000），每一次操作（函数调用），reduction就会减少，当这个数量减少到0时或者进程没有匹配的消息时，抢占就会发生（无视优先级）；
3. 每个进程公平的使用CPU：每个进程分配相同数量的reduction，可以保证进程可以公平的（不是相等的）使用CPU资源
4. 调度器保证软实时性：Erlang中的进程有优先级，调度器可以保证在下一次调度发生时，高优先级的进程可以优先得到执行。

Reduction
受操作系统中基于时间片调度算法的影响，一开始知道有reduction这个概念时，一直想搞清楚这个reduction到底对应多长的绝对时间，不过，从Erlang本身对reduction的使用来看，完全没有必要纠结这个问题。《Erlang编程指南》一书中对reduction的说明如下：
程序中的每一个命令，无论它是一个函数调用，还是一个算术操作，或者内置
函数，都会分配一定数量的reduction。虚拟机使用这个值来衡量一个进程的活
动水平。
看到这个定义的第一反应是，如果一个函数调用的执行时间很长怎么办？那不是一个进程会长时间的占用资源？Erlang对这个问题的答案是Trap机制，上一篇中有提到过，它的其中一个功能就是把费时的操作分阶段做，比如lists:reverser和lists:member可能会根据输入的不同会有很大的变化，所以就会使用到Trap机制：先执行一段时间，再Trap，然后再次调度到的时候再继续执行。

Trap 机制戳 这里

SMP支持
从R11B（2006）Erlang开始支持SMP（Symmetrical Multi Processor，也就是多核）。Erlang对SMP的支持分为以下几个阶段：
1). 单调度器、单运行队列：调度器运行在虚拟机主进程中的一个线程中，从单个任务队列中获取运行进程，因为只有一个线程，所以对运行队列的访问不需要锁；
2). 多调度器、单运行队列：调度器的个数可以自定义（参见erl命令的+S参数，默认数量同CPU核的数量），每个调度器运行在一个线程中，但是只有一个运行队列，所有调度器都从同一个运行队列获取运行进程，所以会涉及到共享资源的访问，需要用到锁。
3). 多调度器、多运行队列：每个调度器都绑定有一个运行队列，每个调度器都从各自的运行队列中获取运行进程。相比单运行队列，多运行队列会减少锁冲突，提高性能，但是，因为涉及到多运行队列，就必需要考虑负载问题：如果一个调度器很忙，另一个很闲，那怎么办？Erlang虚拟机存在一个任务迁移的逻辑，来保证各个调度器达到平衡。

进程优先级
Erlang进程有四种优先级：max, high, normal, low（max只在Erlang运行时系统内部使用，普通进程不能使用）。Erlang运行时有两个运行队列对应着max和high优先级的运行任务，normal和low在同一个队列中。
调度器在调度发生时，总是首先查看具体max优先级的进程队列，如果队列中有可以进行的进程，就会运行，直到这个队列为空。然后会对high优先级的进程队列做同样的操作（在SMP环境，因为同时有几个调度器，所以在同一时间，可能会有不同优先级的任务在同时运行；但在同一个调度器中，同一时间，肯定是高优先级的任务优先运行）。
普通进程在创建时，一般是normal优先级。normal和low优先级的进程只有在系统中没有max和high优先级的进程可运行时才会被调度到。通常情况下，normal和low优先级的进程交替执行，low优先级获得CPU资源相对更少（一般情况下）：low优先级的任务只有在运行了normal优先级任务特定次数后（在R15B中，这个数字是8）才会被调度到（也就是说只有在调度了8个normal优先级的进程后，low优先级的进程才会被调度到，即使low优先级的进程比normal优先级的进程更早进入调度队列，这种机制可能会引起优先级反转：假如你有成千上万的活动normal进程，而只有几个low优先级进程，那么相比normal进程，low优先级可能会获得更多的CPU资源）。

调度算法的实现见[$OTP_SRC/erts/emulator/beam/erl_process.c –> schedule]，下面的图片是算法流程图，来源于这篇论文：Characterizing the Scalability of Erlang VM on Many-core Processors。