Linux 进程调度

Posted 2023-03-26

参考技术A Linux的调度策略区分实时进程和普通进程，实时进程的调度策略是SCHED_FIFO和SCHED_RR，普通的，非实时进程的调度策略是SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）。

实时调度策略被实时调度器管理，普通调度策略被完全公平调度器来管理。实时进程的优先级要高于普通进程（nice越小优先级越高）。

SCHED_FIFO实现了一种简单的先入先出的调度算法，它不使用时间片，但支持抢占，只有优先级更高的SCHED_FIFO或者SCHED_RR进程才能抢占它，否则它会一直执行下去，低优先级的进程不能抢占它，直到它受阻塞或自己主动释放处理器。

SCHED_RR是带有时间片的一种实时轮流调度算法，当SCHED_RR进程耗尽它的时间片时，同一优先级的其它实时进程被轮流调度，时间片只用来重新调用同一优先级的进程，低优先级的进程决不能抢占SCHED_RR任务，即使它的时间片耗尽。SCHED_RR是带时间片的SCHED_FIFO。

Linux的实时调度算法提供了一种软实时工作方式，软实时的含义是尽力调度进程，尽力使进程在它的限定时间到来前运行，但内核不保证总能满足这些进程的要求，相反，硬实时系统保证在一定的条件下，可以满足任何调度的要求。

SCHED_NORMAL使用完全公平调度算法（CFS），之前的算法直接将nice值对应时间片的长度，而在CFS中，nice值只作为进程获取处理器运行比的权重，每个进程都有一个权重，nice优先级越高，权重越大，表示应该运行更长的时间。Linux的实现中，每个进程都有一个vruntime字段，vruntime是经过量化的进程运行时间，也就是实际运行时间除以权重，所以每个量化后的vruntime应该相等，这就体现了公平性。

CFS当然也支持抢占，但与实时调度算法不同，实时调度算法是根据优先级进行抢占，CFS是根据vruntime进行抢占，vruntime小就拥有优先被运行的权利。

为了计算时间片，CFS算法需要为完美多任务中的无限小调度周期设定近似值，这个近似值也称作目标延迟，指每个可运行进程在目标延迟内都会调度一次，如果进程数量太多，则时间粒度太小，所以约定时间片的默认最小粒度是1ms。

进程可以分为I/O消耗型和处理器消耗型，这两种进程的调度策略应该不同，I/O消耗型应该更加实时，给对端的感觉是响应很快，同时它一般又不会消耗太多的处理器，因而I/O消耗型需要调度频繁。相对来说，处理器消耗型不需要特别实时，应该尽量降低它的调度频度，延长其运行时间。

参考： linux内核分析——CFS（完全公平调度算法） - 一路向北你好 - 博客园

linux进程调度的三种策略是啥？

linux内核的三种主要调度策略：
1，SCHED_OTHER 分时调度策略，
2，SCHED_FIFO实时调度策略，先到先服务
3，SCHED_RR实时调度策略，时间片轮转

实时进程将得到优先调用，实时进程根据实时优先级决定调度权值。分时进程则通过nice和counter值决定权值，nice越小，counter越大，被调度的概率越大，也就是曾经使用了cpu最少的进程将会得到优先调度。

SHCED_RR和SCHED_FIFO的不同：
当采用SHCED_RR策略的进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平。
SCHED_FIFO一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。
如果有相同优先级的实时进程（根据优先级计算的调度权值是一样的）已经准备好，FIFO时必须等待该进程主动放弃后才可以运行这个优先级相同的任务。而RR可以让每个任务都执行一段时间。

相同点：
RR和FIFO都只用于实时任务。
创建时优先级大于0(1-99)。
按照可抢占优先级调度算法进行。
就绪态的实时任务立即抢占非实时任务。

所有任务都采用linux分时调度策略时：
1，创建任务指定采用分时调度策略，并指定优先级nice值(-20~19)。
2，将根据每个任务的nice值确定在cpu上的执行时间(counter)。
3，如果没有等待资源，则将该任务加入到就绪队列中。
4，调度程序遍历就绪队列中的任务，通过对每个任务动态优先级的计算权值(counter+20-nice)结果，选择计算结果最大的一个去运行，当这个时间片用完后(counter减至0)或者主动放弃cpu时，该任务将被放在就绪队列末尾(时间片用完)或等待队列(因等待资源而放弃cpu)中。
5，此时调度程序重复上面计算过程，转到第4步。
6，当调度程序发现所有就绪任务计算所得的权值都为不大于0时，重复第2步。

所有任务都采用FIFO时：
1，创建进程时指定采用FIFO，并设置实时优先级rt_priority(1-99)。
2，如果没有等待资源，则将该任务加入到就绪队列中。
3，调度程序遍历就绪队列，根据实时优先级计算调度权值(1000+rt_priority),选择权值最高的任务使用cpu，该FIFO任务将一直占有cpu直到有优先级更高的任务就绪(即使优先级相同也不行)或者主动放弃(等待资源)。
4，调度程序发现有优先级更高的任务到达(高优先级任务可能被中断或定时器任务唤醒，再或被当前运行的任务唤醒，等等)，则调度程序立即在当前任务堆栈中保存当前cpu寄存器的所有数据，重新从高优先级任务的堆栈中加载寄存器数据到cpu，此时高优先级的任务开始运行。重复第3步。
5，如果当前任务因等待资源而主动放弃cpu使用权，则该任务将从就绪队列中删除，加入等待队列，此时重复第3步。

所有任务都采用RR调度策略时：
1，创建任务时指定调度参数为RR，并设置任务的实时优先级和nice值(nice值将会转换为该任务的时间片的长度)。
2，如果没有等待资源，则将该任务加入到就绪队列中。
3，调度程序遍历就绪队列，根据实时优先级计算调度权值(1000+rt_priority),选择权值最高的任务使用cpu。
4，如果就绪队列中的RR任务时间片为0，则会根据nice值设置该任务的时间片，同时将该任务放入就绪队列的末尾。重复步骤3。
5，当前任务由于等待资源而主动退出cpu，则其加入等待队列中。重复步骤3。

系统中既有分时调度，又有时间片轮转调度和先进先出调度：
1，RR调度和FIFO调度的进程属于实时进程，以分时调度的进程是非实时进程。
2，当实时进程准备就绪后，如果当前cpu正在运行非实时进程，则实时进程立即抢占非实时进程。
3，RR进程和FIFO进程都采用实时优先级做为调度的权值标准，RR是FIFO的一个延伸。FIFO时，如果两个进程的优先级一样，则这两个优先级一样的进程具体执行哪一个是由其在队列中的未知决定的，这样导致一些不公正性(优先级是一样的，为什么要让你一直运行?),如果将两个优先级一样的任务的调度策略都设为RR,则保证了这两个任务可以循环执行，保证了公平。

Ingo Molnar-实时补丁
为了能并入主流内核，Ingo Molnar的实时补丁也采用了非常灵活的策略，它支持四种抢占模式：
1．No Forced Preemption (Server)，这种模式等同于没有使能抢占选项的标准内核，主要适用于科学计算等服务器环境。
2．Voluntary Kernel Preemption (Desktop)，这种模式使能了自愿抢占，但仍然失效抢占内核选项，它通过增加抢占点缩减了抢占延迟，因此适用于一些需要较好的响应性的环境，如桌面环境，当然这种好的响应性是以牺牲一些吞吐率为代价的。
3．Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)，这种模式既包含了自愿抢占，又使能了可抢占内核选项，因此有很好的响应延迟，实际上在一定程度上已经达到了软实时性。它主要适用于桌面和一些嵌入式系统，但是吞吐率比模式2更低。
4．Complete Preemption (Real-Time)，这种模式使能了所有实时功能，因此完全能够满足软实时需求，它适用于延迟要求为100微秒或稍低的实时系统。
实现实时是以牺牲系统的吞吐率为代价的，因此实时性越好，系统吞吐率就越低。 参考技术A 进程调度策略就是调度系统种哪一个进程来CPU运行。这种调度分2层考虑。 第一层，进程状态这个是最优先考虑的，也就是说优先级最高的。在linux中只有就绪态的进程才有可能会被调度选中然后占有CPU，其它状态的进程不可能占有的到CPU。下面是linux中进程的状态TASK_RUNNING:就绪状态，得到CPU就可以运行。
TASK_INTERRUPTIBLE:浅度睡眠，资源到位或者受到信号就会变成就绪态。
TASK_UNINTERRUPTIBLE:深度睡眠，资源到位就会进入就绪态，不响应信号。
TASK_ZOMBIE：僵死态，进程exit后。
TASK_STOPPED：暂停态，收到SIG_CONT信号进入就绪态。 第二层，其实真正在操作系统中的实现，就是所有就绪态进程链接成一个队列，进程调度时候只会考虑这个队列中的进程，对其它的进程不考虑，这就实现了第一层中的要求。接下来就是就绪队列内部各个进程的竞争了。 Linux采用3种不同的调度政策，SCHED_FIFO（下面简写成FIFO，先来先服务），SCHED_RR（简写成RR，时间片轮流），SCHED_OTHER（下面简写成OTHER）。这里大家就能看出一个问题，采用同等调度政策的进程之间自然有可比性，Linux3种调度政策并存，那么不同调度政策间的进程如何比较呢？可以说他们之间根本就没有可比性。其实在调度时候，调度只看一个指标，那就是各个进程所具有的权值，权值最大的且在可执行队列中排在最前面的就会被调度执行。而权值的计算才会设计到各方面因素，其中调度政策可以说在计算权值中，份量是最重的。 为什么Linux要这么干呢？这是由于事务的多样性决定的，进程有实时性进程和非实时性的进程2种，FIFO和RR是用来支持实时性进程的调度，我们看一下这3种政策下权值的计算公式就明白了：FIFO和RR计算公式，权值=1000+进程真正的运行时间OTHER计算公式，当时间片为0时，权值=0.当时间片不为0时候，权值=剩余时间片+20-nice,同时如果是内核线程有+1的小加分，这是因为内核线程无需用户空间的切换，所以给它加了一分，奖励他在进程切换时候开销小的功劳。时间片好理解，那么nice这个值，用过linux系统的人都知道，这是一个从unix下继承过来的概念，表示谦让度，是一个从20～-19的数，可以通过nice和renice指令来设置。从代码中也能看到值越小就越不会谦让他人。 从这里我们看出FIFO和RR至少有1000的基数，所以在有FIFO和RR调度政策进程存在时，OTHER进程是没有机会被调度的到的。从权值计算公式同时也能看出，FIFO先来先服务的调度政策满足了，但RR这个时间片轮流的调度如果按照这种权值计算是不能满足时间片轮流这一概念的。这里只是权值的计算，在调度时候对RR政策的进程特殊处理。 以上都是权值计算，下面看看真正的调度过程，首先是对RR政策进程的特殊处理，如果当前进程采用的RR政策，那么看他的时间片是否用完，用完了就踢到就绪队列尾部，同时恢复他的时间片。然后是便利整个就绪队列，找到第一个权值最大的进程来运行。 整体调度效果就是：如果有FIFO和RR政策的进程，就优先调度他们2个，他们之间看已执行时间长短决定胜负，而2种政策内部则遵守各自调度政策。而OTHER只有在前面2种不存在于就绪队列时候才有可能执行，他们实际也是轮流执行，但他们之间是靠剩余时间和NICE值来决定胜负。同时就绪队列中排在最前面的最优先考虑在同样权值情况下。