多核调度预备知识

问题

内核对进程调度时发生了什么？

进程调度的本质

任务 / 进程 切换

• 即：上下文切换，内核对处理器上的执行的进程进行切换
• "上下文" 指：寄存器的值
• "上下文切换" 指：
  • 将寄存器的值保存在内存中 (进程被剥夺处理器，停止执行)
  • 将另一组寄存器的值从内存中加载到寄存器 (调度下一个进程执行)

进程调度的本质

当时间片耗完，不管进程正在执行什么代码，都一定会发生上下文切换！

上下文切换必然导致进程状态的转换

上下文切换由中断触发 (时钟中断，IO中断，等)

详解 Linux 进程状态 (ps au)

细说空闲状态

处理器上电后，开始一直不停的向下执行指令

当系统中没有进程时，会执行一个 "不执行任何操作的" 的空闲进程

空闲进程的职责：执行特殊指令使处理器进入休眠状态 (低功耗状态)

空闲状态是一种暂态，但凡出现就绪进程，空闲状态立即结束

Linux 性能工具简介

ps -- 查看进程运行时数据 (ps au)

top -- Linux 整体性能监测工具 (类似任务管理器)

sar -- Linux 活动情况报告 (系统性能分析工具)

Linux 系统平均负载

即：Linux 系统负载平均值 (Linux System Load Averages)

该值表示的是一段时间内任务对系统资源需求的平均值 (1、5 和 15 分钟)

• 如果平均值接近 0，意味着系统处于空闲状态
• 如果平均值大于 1，意味着系统繁忙，任务需要等待，无法及时执行
  • 如果 1min 平均值高于 5min 或 15min 平均值，则负载正在增加
  • 如果 1min 平均值低于 5min 或 15min 平均值，则负载正在减少

详解 sar -q

runq-sz：执行队列的长度

plist-sz：运行中的任务 (进程 & 线程) 总数

ldavg-1：最近 1min 系统平均负载

ldavg-5：最近 5min 系统平均负载

ldavg-15：最近 15min 系统平均负载

系统调度观察实验

通过 Linux 性能工具观察进程调度

• 单处理器运行过程
• 多处理器运行过程

系统调度核心性能指标

吞吐量：单位时间内的工作总量 (越大越好)

• 处理器资源消耗越多 (空闲状态占比越低)，吞吐量越大
• 对于进程调度而言，吞吐量指单位时间处理的进程数量

延迟：从开始处理任务到结束处理任务所耗费的时间 (越短越好)

• 对于进程而言，延迟即生命期，指进程从运行到结束所经历的时间
• 注意：运行 和 结束 不同，运行时间可能很长，但执行时间可能很短

吞吐量计算一

吞吐量计算二

吞吐量计算三

假设：每个进程固定执行 60ms

则：进程运行结束时

结论：

处理器的能力由硬件设计决定，吞吐量决定一个上限

当吞吐量未达上限，进程的延迟取决于进程自身

当吞吐量达到上限，随着进程数量增加，总延迟增加，但平均延迟不变

思考

多核吞吐量计算

现实中的系统

理想状态：进程正在执行，并且没有就绪状态的进程

空闲状态：处理器占用率低，吞吐量低

繁忙状态：

多个进程同时运行，但存在多个就绪状态的进程

此时，吞吐量很高(可能达到峰值)，但总延迟会变长