linux内核调度算法--CPU时间片如何分配

Posted 2021-01-04 张丽心

内核在微观上，把CPU的运行时间分成许多分，然后安排给各个进程轮流运行，造成宏观上所有的进程仿佛同时在执行。双核CPU，实际上最多只能有两个进程在同时运行，大家在top、vmstat命令里看到的正在运行的进程，并不是真的在占有着CPU哈。

所以，一些设计良好的高性能进程，比如nginx，都是实际上有几颗CPU，就配几个工作进程，道理就在这。比如你的服务器有8颗CPU，那么nginx worker应当只有8个，当你多于8个时，内核可能会放超过多个nginx worker进程到1个runqueue里，会发生什么呢？就是在这颗CPU上，会比较均匀的把时间分配给这几个nginx worker，每个worker进程运行完一个时间片后，内核需要做进程切换，把正在运行的进程上下文保存下来。假设内核分配的时间片是100ms，做进程切换的时间是5ms，那么进程性能下降还是很明显的，跟你配置的worker有关，中老年女装越多下降得越厉害。

当然，这是跟nginx的设计有关的。nginx是事件驱动的全异步进程，本身设计上就几乎不存在阻塞和中断，nginx的设计者就希望每一个nginx worker可以独占CPU的几乎全部时间片，这点就是nginx worker数量配置的依据所在。

 

当然，实际的运行进程里，大部分并不是nginx这种希望独占CPU全部时间片的进程，许多进程，比如vi，它在很多时间是在等待用户输入，这时vi在等待IO中断，是不占用时间片的，内核面对多样化的进程，就需要技巧性的分配CPU时间片了。

 

内核分配时间片是有策略和倾向性的。换句话说，内核是偏心的，它喜欢的是IO消耗型进程，因为这类进程如果不能及时响应，用户就会很不爽，所以它总会下意识的多分配CPU运行时间给这类进程。而CPU消耗进程内核就不太关心了。这有道理吗？太有了，CPU消耗型慢一点用户感知不出来，电信号和生物信号运转速度差距巨大。虽然内核尽量多的分配时间片给IO消耗型进程，但IO消耗进程常常在睡觉，给它的时间片根本用不掉。很合理吧？

 

那么内核具体是怎么实现这种偏心呢？通过动态调整进程的优先级，以及分配不同长短的CPU时间处来实现。先说内核如何决定时间片的长度。

对每一个进程，有一个整型static_prio表示用户设置的静态优先级，内核里它与nice值是对应的。看看进程描述结构里的static_prio成员。

 

 

nice值是什么？其实就是优先级针对用户进程的另一种表示法，nice的取值范围是-20到+19，-20优先级最高，+19最低。上篇曾经说过，内核优先级共有140，而用户能够设置的NICE优先级如何与这140个优先级对应起来呢？看代码：

 

 

 

可以看到，MAX_PRIO就是140，也就是内核定义的最大优先级了。

 

 

而MAX_USER_PRIO就是40，意指，普通进程指定的优先级别最多40，就像前面我们讲的那样-20到+19。

 

 

 

nice值是-20表示最高，对应着static_prio是多少呢？NICE_TO_PRIO(0)就是120，NICE_TO_PRIO(-20)就是100。

 

 

当该进程刚被其父进程fork出来时，是平分其父进程的剩余时间片的。这个时间片执行完后，就会根据它的初始优先级来重新分配时间片，优先级为+19时最低，只分配最小时间片5ms，优先级为0时是100ms，优先级是-20时是最大时间片800ms。我们看看内核是如何计算时间片长度的，大家先看下task_timeslice时间片计算函数：