《Linux内核设计与实现》读书笔记(四)- 进程的调度

主要内容:

  • 什么是调度
  • 调度实现原理
  • Linux上调度实现的方法
  • 调度相关的系统调用

1. 什么是调度

现在的操作系统都是多任务的,为了能让更多的任务能同时在系统上更好的运行,需要一个管理程序来管理计算机上同时运行的各个任务(也就是进程)。

这个管理程序就是调度程序,它的功能说起来很简单:

  1. 决定哪些进程运行,哪些进程等待
  2. 决定每个进程运行多长时间

此外,为了获得更好的用户体验,运行中的进程还可以立即被其他更紧急的进程打断。

总之,调度是一个平衡的过程。一方面,它要保证各个运行的进程能够最大限度的使用CPU(即尽量少的切换进程,进程切换过多,CPU的时间会浪费在切换上);另一方面,保证各个进程能公平的使用CPU(即防止一个进程长时间独占CPU的情况)。

 

2. 调度实现原理

前面说过,调度功能就是决定哪个进程运行以及进程运行多长时间。

决定哪个进程运行以及运行多长时间都和进程的优先级有关。为了确定一个进程到底能持续运行多长时间,调度中还引入了时间片的概念。

2.1 关于进程的优先级

进程的优先级有2种度量方法,一种是nice值,一种是实时优先级。

nice值的范围是-20~+19,值越大优先级越低,也就是说nice值为-20的进程优先级最大。

实时优先级的范围是0~99,与nice值的定义相反,实时优先级是值越大优先级越高。

实时进程都是一些对响应时间要求比较高的进程,因此系统中有实时优先级高的进程处于运行队列的话,它们会抢占一般的进程的运行时间。

 

进程的2种优先级会让人不好理解,到底哪个优先级更优先?一个进程同时有2种优先级怎么办?

其实linux的内核早就有了解决办法。

对于第一个问题,到底哪个优先级更优先?

答案是实时优先级高于nice值,在内核中,实时优先级的范围是 0~MAX_RT_PRIO-1 MAX_RT_PRIO的定义参见 include/linux/sched.h

1611 #define MAX_USER_RT_PRIO        100
1612 #define MAX_RT_PRIO             MAX_USER_RT_PRIO

nice值在内核中的范围是 MAX_RT_PRIO~MAX_RT_PRIO+40 即 MAX_RT_PRIO~MAX_PRIO

1614 #define MAX_PRIO                (MAX_RT_PRIO + 40)

 

第二个问题,一个进程同时有2种优先级怎么办?

答案很简单,就是一个进程不可能有2个优先级。一个进程有了实时优先级就没有Nice值,有了Nice值就没有实时优先级。

我们可以通过以下命令查看进程的实时优先级和Nice值:(其中RTPRIO是实时优先级,NI是Nice值)

$ ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,ni,time,comm
S   UID   PID  PPID RTPRIO  NI     TIME COMMAND
S     0     1     0      -   0 00:00:00 systemd
S     0     2     0      -   0 00:00:00 kthreadd
S     0     3     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/0
S     0     6     2     99   - 00:00:00 migration/0
S     0     7     2     99   - 00:00:00 watchdog/0
S     0     8     2     99   - 00:00:00 migration/1
S     0    10     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/1
S     0    12     2     99   - 00:00:00 watchdog/1
S     0    13     2     99   - 00:00:00 migration/2
S     0    15     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/2
S     0    16     2     99   - 00:00:00 watchdog/2
S     0    17     2     99   - 00:00:00 migration/3
S     0    19     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/3
S     0    20     2     99   - 00:00:00 watchdog/3
S     0    21     2      - -20 00:00:00 cpuset
S     0    22     2      - -20 00:00:00 khelper

 

2.2 关于时间片

有了优先级,可以决定谁先运行了。但是对于调度程序来说,并不是运行一次就结束了,还必须知道间隔多久进行下次调度。

于是就有了时间片的概念。时间片是一个数值,表示一个进程被抢占前能持续运行的时间。

也可以认为是进程在下次调度发生前运行的时间(除非进程主动放弃CPU,或者有实时进程来抢占CPU)。

时间片的大小设置并不简单,设大了,系统响应变慢(调度周期长);设小了,进程频繁切换带来的处理器消耗。默认的时间片一般是10ms

 

2.3 调度实现原理(基于优先级和时间片)

下面举个直观的例子来说明:

假设系统中只有3个进程ProcessA(NI=+10),ProcessB(NI=0),ProcessC(NI=-10),NI表示进程的nice值,时间片=10ms

1) 调度前,把进程优先级按一定的权重映射成时间片(这里假设优先级高一级相当于多5msCPU时间)。

    假设ProcessA分配了一个时间片10ms,那么ProcessB的优先级比ProcessA高10(nice值越小优先级越高),ProcessB应该分配10*5+10=60ms,以此类推,ProcessC分配20*5+10=110ms

2) 开始调度时,优先调度分配CPU时间多的进程。由于ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(110ms)。显然先调度ProcessC

3) 10ms(一个时间片)后,再次调度时,ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(100ms)。ProcessC刚运行了10ms,所以变成100ms。此时仍然先调度ProcessC

4) 再调度4次后(4个时间片),ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(60ms)。此时ProcessB和ProcessC的CPU时间一样,这时得看ProcessB和ProcessC谁在CPU运行队列的前面,假设ProcessB在前面,则调度ProcessB

5) 10ms(一个时间片)后,ProcessA(10ms),ProcessB(50ms),ProcessC(60ms)。再次调度ProcessC

6) ProcessB和ProcessC交替运行,直至ProcessA(10ms),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

    这时得看ProcessA,ProcessB,ProcessC谁在CPU运行队列的前面就先调度谁。这里假设调度ProcessA

7) 10ms(一个时间片)后,ProcessA(时间片用完后退出),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

8) 再过2个时间片,ProcessB和ProcessC也运行完退出。

这个例子很简单,主要是为了说明调度的原理,实际的调度算法虽然不会这么简单,但是基本的实现原理也是类似的:

1)确定每个进程能占用多少CPU时间(这里确定CPU时间的算法有很多,根据不同的需求会不一样)

2)占用CPU时间多的先运行

3)运行完后,扣除运行进程的CPU时间,再回到 1)

 

3. Linux上调度实现的方法

Linux上的调度算法是不断发展的,在2.6.23内核以后,采用了“完全公平调度算法”,简称CFS。

CFS算法在分配每个进程的CPU时间时,不是分配给它们一个绝对的CPU时间,而是根据进程的优先级分配给它们一个占用CPU时间的百分比。

比如ProcessA(NI=1),ProcessB(NI=3),ProcessC(NI=6),在CFS算法中,分别占用CPU的百分比为:ProcessA(10%),ProcessB(30%),ProcessC(60%)

因为总共是100%,ProcessB的优先级是ProcessA的3倍,ProcessC的优先级是ProcessA的6倍。

 

Linux上的CFS算法主要有以下步骤:(还是以ProcessA(10%),ProcessB(30%),ProcessC(60%)为例)

1)计算每个进程的vruntime(注1),通过update_curr()函数更新进程的vruntime。

2)选择具有最小vruntime的进程投入运行。(注2)

3)进程运行完后,更新进程的vruntime,转入步骤2) (注3)

 

注1. 这里的vruntime是进程虚拟运行的时间的总和。vruntime定义在:kernel/sched_fair.c 文件的 struct sched_entity 中。

 

注2. 这里有点不好理解,根据vruntime来选择要运行的进程,似乎和每个进程所占的CPU时间百分比没有关系了。

1)比如先运行ProcessC,(vr是vruntime的缩写),则10ms后:ProcessA(vr=0),ProcessB(vr=0),ProcessC(vr=10)

2)那么下次调度只能运行ProcessA或者ProcessB。(因为会选择具有最小vruntime的进程)

长时间来看的话,ProcessA、ProcessB、ProcessC是公平的交替运行的,和优先级没有关系。

而实际上vruntime并不是实际的运行时间,它是实际运行时间进行加权运算后的结果。

比如上面3个进程中ProcessA(10%)只分配了CPU总的处理时间的10%,那么ProcessA运行10ms的话,它的vruntime会增加100ms。

以此类推,ProcessB运行10ms的话,它的vruntime会增加(100/3)ms,ProcessC运行10ms的话,它的vruntime会增加(100/6)ms。

实际的运行时,由于ProcessC的vruntime增加的最慢,所以它会获得最多的CPU处理时间。

上面的加权算法是我自己为了理解方便简化的,Linux对vruntime的加权方法还得去看源码^-^

 

注3.Linux为了能快速的找到具有最小vruntime,将所有的进程的存储在一个红黑树中。这样树的最左边的叶子节点就是具有最小vruntime的进程,新的进程加入或有旧的进程退出时都会更新这棵树。

 

其实Linux上的调度器是以模块方式提供的,每个调度器有不同的优先级,所以可以同时存在多种调度算法。

每个进程可以选择自己的调度器,Linux调度时,首先按调度器的优先级选择一个调度器,再选择这个调度器下的进程。

 

4. 调度相关的系统调用

调度相关的系统调用主要有2类:

1) 与调度策略和进程优先级相关 (就是上面的提到的各种参数,优先级,时间片等等) - 下表中的前8个

2) 与处理器相关 - 下表中的最后3个

系统调用

描述

nice()

设置进程的nice值

sched_setscheduler()

设置进程的调度策略,即设置进程采取何种调度算法

sched_getscheduler()

获取进程的调度算法

sched_setparam()

设置进程的实时优先级

sched_getparam()

获取进程的实时优先级

sched_get_priority_max()

获取实时优先级的最大值,由于用户权限的问题,非root用户并不能设置实时优先级为99

sched_get_priority_min()

获取实时优先级的最小值,理由与上面类似

sched_rr_get_interval()

获取进程的时间片

sched_setaffinity()

设置进程的处理亲和力,其实就是保存在task_struct中的cpu_allowed这个掩码标志。该掩码的每一位对应一个系统中可用的处理器,默认所有位都被设置,即该进程可以再系统中所有处理器上执行。

用户可以通过此函数设置不同的掩码,使得进程只能在系统中某一个或某几个处理器上运行。

sched_getaffinity()

获取进程的处理亲和力

sched_yield()

暂时让出处理器

posted @ 2012-09-04 16:10  wang_yb  阅读(...)  评论(...编辑  收藏