Linux进程调度器概述--Linux进程的管理与调度(十五）
| 日期 | 内核版本 | 架构 | 作者 | GitHub | CSDN |
|---|---|---|---|---|---|
| 2016-06-14 | Linux-4.6 | X86 & arm | gatieme | LinuxDeviceDrivers | Linux进程管理与调度 |
内存中保存了对每个进程的唯一描述, 并通过若干结构与其他进程连接起来.
调度器面对的情形就是这样, 其任务是在程序之间共享CPU时间, 创造并行执行的错觉, 该任务分为两个不同的部分, 其中一个涉及调度策略, 另外一个涉及上下文切换.
什么是调度器
通常来说，操作系统是应用程序和可用资源之间的媒介。
典型的资源有内存和物理设备。但是CPU也可以认为是一个资源，调度器可以临时分配一个任务在上面执行（单位是时间片）。调度器使得我们同时执行多个程序成为可能，因此可以与具有各种需求的用户共享CPU。
内核必须提供一种方法, 在各个进程之间尽可能公平地共享CPU时间, 而同时又要考虑不同的任务优先级.
调度器的一个重要目标是有效地分配 CPU 时间片，同时提供很好的用户体验。调度器还需要面对一些互相冲突的目标，例如既要为关键实时任务最小化响应时间, 又要最大限度地提高 CPU 的总体利用率.
调度器的一般原理是, 按所需分配的计算能力, 向系统中每个进程提供最大的公正性, 或者从另外一个角度上说, 他试图确保没有进程被亏待.
调度策略
传统的Unix操作系统的都奥杜算法必须实现几个互相冲突的目标:
进程响应时间尽可能快
后台作业的吞吐量尽可能高
尽可能避免进程的饥饿现象
低优先级和高优先级进程的需要尽可能调和等等
调度策略(scheduling policy)的任务就是决定什么时候以怎么样的方式选择一个新进程占用CPU运行.
传统操作系统的调度基于分时(time sharing)技术: 多个进程以”时间多路服用”方式运行, 因为CPU的时间被分成”片(slice)”, 给每个可运行进程分配一片CPU时间片, 当然单处理器在任何给定的时刻只能运行一个进程.
如果当前可运行进程的时限(quantum)到期时(即时间片用尽), 而该进程还没有运行完毕, 进程切换就可以发生.
分时依赖于定时中断, 因此对进程是透明的, 不需要在承租中插入额外的代码来保证CPU分时.
调度策略也是根据进程的优先级对他们进行分类. 有时用复杂的算法求出进程当前的优先级, 但最后的结果是相同的: 每个进程都与一个值(优先级)相关联, 这个值表示把进程如何适当地分配给CPU.
在linux中, 进程的优先级是动态的. 调度程序跟踪进程正在做什么, 并周期性的调整他们的优先级. 在这种方式下, 在较长的时间间隔内没有任何使用CPU的进程, 通过动态地增加他们的优先级来提升他们. 相应地, 对于已经在CPU上运行了较长时间的进程, 通过减少他们的优先级来处罚他们.
进程饥饿
进程饥饿，即为Starvation，指当等待时间给进程推进和响应带来明显影响称为进程饥饿。当饥饿到一定程度的进程在等待到即使完成也无实际意义的时候称为饥饿死亡。
产生饥饿的主要原因是
在一个动态系统中，对于每类系统资源，操作系统需要确定一个分配策略，当多个进程同时申请某类资源时，由分配策略确定资源分配给进程的次序。
有时资源分配策略可能是不公平的，即不能保证等待时间上界的存在。在这种情况下，即使系统没有发生死锁，某些进程也可能会长时间等待．当等待时间给进程推进和响应带来明显影响时，称发生了进程饥饿，当饥饿到一定程度的进程所赋予的任务即使完成也不再具有实际意义时称该进程被饿死。
举个例子，当有多个进程需要打印文件时，如果系统分配打印机的策略是最短文件优先，那么长文件的打印任务将由于短文件的源源不断到来而被无限期推迟，导致最终的饥饿甚至饿死。
进程的分类
进程的分类
当涉及有关调度的问题时, 传统上把进程分类为”I/O受限(I/O-dound)”或”CPU受限(CPU-bound)”.
| 类型 | 别称 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| I/O受限型 | I/O密集型 | 频繁的使用I/O设备, 并花费很多时间等待I/O操作的完成 | 数据库服务器, 文本编辑器 |
| CPU受限型 | 计算密集型 | 花费大量CPU时间进行数值计算 | 图形绘制程序 |
另外一种分类法把进程区分为三类:
| 类型 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
| 交互式进程(interactive process) | 此类进程经常与用户进行交互, 因此需要花费很多时间等待键盘和鼠标操作. 当接受了用户的输入后, 进程必须很快被唤醒, 否则用户会感觉系统反应迟钝 | shell, 文本编辑程序和图形应用程序 |
| 批处理进程(batch process) | 此类进程不必与用户交互, 因此经常在后台运行. 因为这样的进程不必很快相应, 因此常受到调度程序的怠慢 | 程序语言的编译程序, 数据库搜索引擎以及科学计算 |
| 实时进程(real-time process) | 这些进程由很强的调度需要, 这样的进程绝不会被低优先级的进程阻塞. 并且他们的响应时间要尽可能的短 | 视频音频应用程序, 机器人控制程序以及从物理传感器上收集数据的程序 |
注意
前面的两类分类方法在一定程序上相互独立
例如, 一个批处理进程很有可能是I/O受限的(如数据库服务器), 也可能是CPU受限的(比如图形绘制程序)
实时进程与普通进程
在linux中, 调度算法可以明确的确认所有实时进程的身份, 但是没办法区分交互式程序和批处理程序(统称为普通进程), linux2.6的调度程序实现了基于进程过去行为的启发式算法, 以确定进程应该被当做交互式进程还是批处理进程. 当然与批处理进程相比, 调度程序有偏爱交互式进程的倾向
根据进程的不同分类Linux采用不同的调度策略.
对于实时进程，采用FIFO或者Round Robin的调度策略.
对于普通进程，则需要区分交互式和批处理式的不同。传统Linux调度器提高交互式应用的优先级，使得它们能更快地被调度。而CFS和RSDL等新的调度器的核心思想是”完全公平”。这个设计理念不仅大大简化了调度器的代码复杂度，还对各种调度需求的提供了更完美的支持.
注意Linux通过将进程和线程调度视为一个，同时包含二者。进程可以看做是单个线程，但是进程可以包含共享一定资源（代码和/或数据）的多个线程。因此进程调度也包含了线程调度的功能.
linux进程的调度算法其实经过了很多次的演变, 但是其演变主要是针对与普通进程的, 因为前面我们提到过根据进程的不同分类Linux采用不同的调度策略.实时进程和普通进程采用了不同的调度策略, 更一般的普通进程还需要启发式的识别批处理进程和交互式进程.
实时进程的调度策略比较简单, 因为实时进程值只要求尽可能快的被响应, 基于优先级, 每个进程根据它重要程度的不同被赋予不同的优先级，调度器在每次调度时, 总选择优先级最高的进程开始执行. 低优先级不可能抢占高优先级, 因此FIFO或者Round Robin的调度策略即可满足实时进程调度的需求.
但是普通进程的调度策略就比较麻烦了, 因为普通进程不能简单的只看优先级, 必须公平的占有CPU, 否则很容易出现进程饥饿, 这种情况下用户会感觉操作系统很卡, 响应总是很慢.
此外如何进程中如果存在实时进程, 则实时进程总是在普通进程之前被调度
linux调度器的演变
一开始的调度器是复杂度为O(n)的始调度算法(实际上每次会遍历所有任务，所以复杂度为O(n)), 这个算法的缺点是当内核中有很多任务时，调度器本身就会耗费不少时间，所以，从linux2.5开始引入赫赫有名的O(1)调度器
然而，linux是集全球很多程序员的聪明才智而发展起来的超级内核，没有最好，只有更好，在O(1)调度器风光了没几天就又被另一个更优秀的调度器取代了，它就是CFS调度器Completely Fair Scheduler. 这个也是在2.6内核中引入的，具体为2.6.23，即从此版本开始，内核使用CFS作为它的默认调度器，O(1)调度器被抛弃了, 其实CFS的发展也是经历了很多阶段，最早期的楼梯算法(SD), 后来逐步对SD算法进行改进出RSDL(Rotating Staircase Deadline Scheduler), 这个算法已经是”完全公平”的雏形了， 直至CFS是最终被内核采纳的调度器, 它从RSDL/SD中吸取了完全公平的思想，不再跟踪进程的睡眠时间，也不再企图区分交互式进程。它将所有的进程都统一对待，这就是公平的含义。CFS的算法和实现都相当简单，众多的测试表明其性能也非常优越
更多CFS的信息, 请参照
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-completely-fair-scheduler/index.html?ca=drs-cn-0125
另外内核文档sched-design-CFS.txt中也有介绍
| 字段 | 版本 |
|---|---|
| O(n)的始调度算法 | linux-0.11~2.4 |
| O(1)调度器 | linux-2.5 |
| CFS调度器 | linux-2.6~至今 |
Linux的调度器组成
2个调度器
可以用两种方法来激活调度
一种是直接的, 比如进程打算睡眠或出于其他原因放弃CPU
另一种是通过周期性的机制, 以固定的频率运行, 不时的检测是否有必要
因此当前linux的调度程序由两个调度器组成：主调度器，周期性调度器(两者又统称为通用调度器(generic scheduler)或核心调度器(core scheduler))
并且每个调度器包括两个内容：调度框架(其实质就是两个函数框架)及调度器类
调度器类是实现了不同调度策略的实例，如 CFS、RT class等。
它们的关系如下图
当前的内核支持两种调度器类（sched_setscheduler系统调用可修改进程的策略）：CFS（公平）、RT（实时）；5种调度策略：SCHED_NORAML（最常见的策略）、SCHED_BATCH（除了不能抢占外与常规任务一样，允许任务运行更长时间，更好地使用高速缓存，适合于成批处理的工作）、SCHED_IDLE（它甚至比nice 19还有弱，为了避免优先级反转使用）和SCHED_RR（循环调度，拥有时间片，结束后放在队列末）、SCHED_FIFO（没有时间片，可以运行任意长的时间）；其中前面三种策略使用的是cfs调度器类，后面两种使用rt调度器类。
2个调度器类
当前的内核支持2种调度器类（sched_setscheduler系统调用可修改进程的策略）：CFS（公平调度器）、RT（实时调度器）
5种调度策略
| 字段 | 描述 | 所在调度器类 |
|---|---|---|
| SCHED_NORMAL | （也叫SCHED_OTHER）用于普通进程，通过CFS调度器实现。SCHED_BATCH用于非交互的处理器消耗型进程。SCHED_IDLE是在系统负载很低时使用 | CFS |
| SCHED_BATCH | SCHED_NORMAL普通进程策略的分化版本。采用分时策略，根据动态优先级(可用nice()API设置），分配CPU运算资源。注意：这类进程比上述两类实时进程优先级低，换言之，在有实时进程存在时，实时进程优先调度。但针对吞吐量优化, 除了不能抢占外与常规任务一样，允许任务运行更长时间，更好地使用高速缓存，适合于成批处理的工作 | CFS |
| SCHED_IDLE | 优先级最低，在系统空闲时才跑这类进程(如利用闲散计算机资源跑地外文明搜索，蛋白质结构分析等任务，是此调度策略的适用者） | CFS |
| SCHED_FIFO | 先入先出调度算法（实时调度策略），相同优先级的任务先到先服务，高优先级的任务可以抢占低优先级的任务 | RT |
| SCHED_RR | 轮流调度算法（实时调度策略），后者提供 Roound-Robin 语义，采用时间片，相同优先级的任务当用完时间片会被放到队列尾部，以保证公平性，同样，高优先级的任务可以抢占低优先级的任务。不同要求的实时任务可以根据需要用sched_setscheduler()API 设置策略 | RT |
| SCHED_DEADLINE | 新支持的实时进程调度策略，针对突发型计算，且对延迟和完成时间高度敏感的任务适用。基于Earliest Deadline First (EDF) 调度算法 |
其中前面三种策略使用的是cfs调度器类，后面两种使用rt调度器类。
另外，对于调度框架及调度器类，它们都有自己管理的运行队列，调度框架只识别rq（其实它也不能算是运行队列），而对于cfs调度器类它的运行队列则是cfs_rq（内部使用红黑树组织调度实体），实时rt的运行队列则为rt_rq（内部使用优先级bitmap+双向链表组织调度实体）
本质上, 通用调度器(核心调度器)是一个分配器,与其他两个组件交互.
调度器用于判断接下来运行哪个进程.
内核支持不同的调度策略(完全公平调度, 实时调度, 在无事可做的时候调度空闲进程,即0号进程也叫swapper进程,idle进程), 调度类使得能够以模块化的方法实现这些侧露额, 即一个类的代码不需要与其他类的代码交互
当调度器被调用时, 他会查询调度器类, 得知接下来运行哪个进程在选中将要运行的进程之后, 必须执行底层的任务切换.
这需要与CPU的紧密交互. 每个进程刚好属于某一调度类, 各个调度类负责管理所属的进程. 通用调度器自身不涉及进程管理, 其工作都委托给调度器类.
进程的调度
首先，我们需要清楚，什么样的进程会进入调度器进行选择，就是处于TASK_RUNNING状态的进程，而其他状态下的进程都不会进入调度器进行调度。
系统发生调度的时机如下
调用cond_resched()时
显式调用schedule()时
从系统调用或者异常中断返回用户空间时
从中断上下文返回用户空间时
当开启内核抢占(默认开启)时，会多出几个调度时机，如下
在系统调用或者异常中断上下文中调用preempt_enable()时(多次调用preempt_enable()时，系统只会在最后一次调用时会调度)
在中断上下文中，从中断处理函数返回到可抢占的上下文时(这里是中断下半部，中断上半部实际上会关中断，而新的中断只会被登记，由于上半部处理很快，上半部处理完成后才会执行新的中断信号，这样就形成了中断可重入)
而在系统启动调度器初始化时会初始化一个调度定时器，调度定时器每隔一定时间执行一个中断，在中断会对当前运行进程运行时间进行更新，如果进程需要被调度，在调度定时器中断中会设置一个调度标志位，之后从定时器中断返回，因为上面已经提到从中断上下文返回时是有调度时机的，在内核源码的汇编代码中所有中断返回处理都必须去判断调度标志位是否设置，如设置则执行schedule()进行调度。
而我们知道实时进程和普通进程是共存的，调度器是怎么协调它们之间的调度的呢，其实很简单，每次调度时，会先在实时进程运行队列中查看是否有可运行的实时进程，如果没有，再去普通进程运行队列找下一个可运行的普通进程，如果也没有，则调度器会使用idle进程进行运行。
之后的章节会放上代码进行详细说明。
系统并不是每时每刻都允许调度的发生，当处于硬中断期间的时候，调度是被系统禁止的，之后硬中断过后才重新允许调度。而对于异常，系统并不会禁止调度，也就是在异常上下文中，系统是有可能发生调度的。