Linux进程调度那些事(1)

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进程调度的入口是函数schedule(),定义在kernel/sched.c中，其中它有一个关键的函数pick_next_task()

也就是挑选下一个可以执行的进程（task）。

伪代码如下：

pick_next_task {

scheduling_class = sched_class_highest; // 这是用链表组织起来的 调度器类，优先级别从高到低

for(;😉 {

p = scheduling_class->pick_next_task; // 从当前最高级别的调度器类中选择一个任务执行，

if§ { // 如果不为空，直接返回

return p;

}

// 如果为空，说明此级别的调度器类已经没有可执行的任务了，那就去看次优先的调度器类

scheduling_class = scheduling_class->next;

}

}

Linux kernel每当需要挑选一个新的task在某个local CPU上运行的时候，就会调用schedule()函数，进而调到pick_next_task()来找到合适的next task。pick_next_task()会利用for_each_class()宏来遍历调度类别链表，先找到有task想要运行的最高优先级的调度类别。等找到task之后，就会返回给函数调用者，让这个task在local CPU上运行。在Idle class里面总是会有一个task的，所以如果没有任何其他task要运行了，就直接执行Idle class里的这个task即可。

linux实现了很多种"scheduling class"（调度类别），每个class都可以包含一些调度策略。

调度类以及其拥有的调度策略如下，优先级别从低到高：

1. Stop schedulding class

• 无实现的调度策略

2. Deadline scheduling class

• SCHED_DEADLINE

3. Realtime scheduling class

• SCHED_FIFO

• SCHED_RR

4. Completely fair scheduling class

• SCHED_NORMAL

• SCHEDULE_BATCH

• SCHED_IDLE

5. Idle scheduling class

• 无实现的调度策略

下面做一点详细讲解。

• Stop schedulding class是一个特殊的类别，只在kernel内部使用。其实并没有实现任何针对它的调度策略，也不会有任何用户进程采用这种调度类别。Stop class其实是用作一种强制CPU把手头其他任何工作都停下来从而执行某种特殊任务的机制。因为这是最高优先级的class，因此可以抢占任何其他类别，却不会被任何其他任务抢占。一般是一个CPU想要把另一个CPU停下来执行某些特定功能的时候使用，因此只有SMP系统里才有。Stop class会创建一个per-CPU的内核线程（kthread），名为migration/N，这里N就是CPU编号。这个类别主要用在kernel的task migration, CPU hotplug, RCU, ftrace, clock event等场景。

• Deadline scheduling class只制定了唯一一条调度策略，名为SCHED_DEADLINE，它用在系统里最高优先级的用户进程上。主要是针对那些有明确截止时间的任务，例如视频编码、解码任务。在这种调度策略之下，截止时间最近的任务拥有最高优先级。可以使用sched_setattr()系统调用来把某个进程设置为SCHED_DEADLINE调度策略，同时需要传递三个参数进去：运行时间，截止时间，周期。

• Realtime (简称RT) scheduling class，主要用在一些耗时很短、对延迟很敏感的task之上，例如IRQ thread。这是一个拥有固定优先级的类别，高优先级的task都会在低优先级的task之前调度。这个类别里实现了两种调度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR。SCHED_FIFO策略会让一个task持续运行直到它放弃占用CPU，例如它block在某个资源上，或者完成了执行。而SCHED_RR（round robin）策略则会对task持续执行的一个时间片限制最大值，如果task持续占用CPU超过这个时长，仍然没有block住（也就是仍然期望继续占用CPU），调度器就会把它放到拥有相同优先级的round-robin队列的尾部，并换一个task进来执行。这些采用实时策略的task可以使用1（最低）到99（最高）的优先级。

• CFS （completely fair scheduling）class则包含了绝大多数的用户进程。CFS实现了三类调度策略：SCHED_NORMAL，SCHEDULE_BATCH，SCHED_IDLE。采用这三者之中任意一种策略的话，进程就只有在没有任何deadline和realtime class的进程在等待执行的情况下才有机会被调度到（当然缺省来说调度器其实保留了5%的CPU时间专用于CFS task）。scheduler会跟踪各个task的vruntime (virtual runtime)，包括那些runnable和blocked状态下的task。一个task的vrtuntime越小，它就越应该优先占用处理器的时间。相应地，CFS会把这些vruntime很低的进程向调度队列的前端移动。

这也是本篇文章的重点。

SCHED_NORMAL调度策略（在user space的名字叫做SCHED_OTHER）是用在Linux环境里运行的绝大多数task上的，例如shell。SCHED_BATCH调度策略则主要用在那些非交互式的任务所需要的批量处理上面，通常这些任务执行中需要一段时间不被打断，因此通常都会在完成所有SCHED_NORMAL工作之后再进行调度切换。SCHED_IDLE调度策略则专用于系统里的低优先级task，他们仅在系统里没有什么需要运行的时候才会执行。尽管实际上说哪怕有其他一些SCHED_NORMAL task，其实SCHED_IDLE task还是会分到一些时间运行的（对于一个nice值为0的task来说大概会有1.4%的时间）。这个调度策略目前用到的很少，有人在试着改进它的工作方式。

• Idle scheduling class（不要跟SCHED_IDLE的调度策略弄混了）。这是最低优先级的调度类别。就跟Stop class类似，Idle class其实不会用在任何用户进程之上，因此并没有实现什么调度策略。它其实仅仅是用在名为swapper/N（N是CPU序号）的一系列per-CPU kthread上。这些kthreads也被称为"idle thread"，用户空间是看不到的。这些线程负责让系统更加省电，主要是通过在没什么事情要做的时候把CPU放到一些deep idle状态来做到的。

在kernel代码里面，scheduling class是用struct sched_class来代表的：

struct sched_class {

const struct sched_class *next;

void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);

void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);

struct task_struct *(*pick_next_task) (struct rq *rq, struct task_struct *prev,

struct rq_flags *rf);

/* many fields omitted */

};

这个结构里主要放了一些指向class相关实现的函数指针（回调函数），供scheduler core调用，从而能让scheduler核心代码不用包含任何class相关的代码。这些调度类别放在一个按照优先级排序的单项链表里面，第一项是Stop scheduling class（最高优先级），最后一项是Idle class（最低优先级）。

CFS（普通进程的调度类）

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设计理念

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CFS——完全公平调度，关于的详细的解析这里就不展开来讲了，可以参看《Linux Kernel Development》这本书，这里只调出关于它的一些设计的关键之处，优秀的调度理念来讲。

CFS的出发点基于一个简单的理念：进程调度的效果应该如果系统具备一个理想的完美多任务处理器。在这种系统中，每个进程都能获得 1/n 的处理器时间，n 指可运行的进程数。

同时，在任何可度量时间内，每个进程都可以得到相同多的运行时间。

当然上述的是理想的模型，实现中当然有贴合实际的处理。

CFS的做法是: 允许每个进程运行一段时间，循环轮转，选择运行最少时间（实际上是虚拟的运行时间）的进程。

关键问题

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1. 时间片的长度如何分配？

CFS并没有像RR一样固定的分配一个时间片，也不是根据进程的优先级分配长度不一的时间片。而是根据系统当时的负载情况，为每一个任务分配一个比例的CPU处理时间。具体的，CFS没有使用离散的时间片，而是采用目标延迟（target latency），这是每个可执行任务应当运行一次的时间间隔。

根据目标延迟，按比例分配CPU时间。

当然，这个目标延迟有一个默认值、最小值，当然随着系统负载的提高，这个目标延迟还可以延长。

2. 优先级如何影响调度？

CFS没有直接分配优先级（对于普通进程而言）。它通过每个任务的虚拟运行时间（vruntime），进而每个任务运行多久，虚拟运行时间和基于**优先级（nice值）**的衰减因子有关。

进程的优先级是通过对它的nice值（取值范围-20到+19）加上120而得到的。

进程的优先级主要是用来调整进程的权重（weight，会影响vruntime增加速率）的，进而会影响到进程的vruntime。nice值越低，优先级就越高。task的权重因此也会更加高一些，相应的vruntime则会在task执行时增长得更加缓慢。

3. 如何调度IO密集型、CPU密集型任务？

首先，IO密集型任务需要更频繁的调度，但是每次需要的CPU时间片很短；而CPU密集型任务需要相对更长的时间片，但是调度频率可以较低。

如何解决？显然IO型任务的vruntime是比较低的（假定nice值都相同），所以它因为vruntime很小，很快可以得到再次调度，而CPU密集型任务只要得到处理器资源，就可以用完分配给它的时间片。

所以，IO型任务的vruntime总是偏小，所以”优先级“比CPU型任务更高，总是可以得到及时调度。

不过，精妙的是，这样的优先级既不是用户显式指定的，也不是os通过某种方式动态调整，完全是根据进程的自身的行为动态调整的。

4. 可运行的进程以何种数据结构组织？

在CFS调度类中，所有可执行的任务都放置在红黑树中，键值正是 vruntime，如下图。

当进程从可执态到阻塞态时，会从红黑树中删除，当再次可调度的时候，又会加入红黑树。

实时进程的调度类

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实时进程的调度类优先级比CFS调度类要高。

Linux提供两种实时调度策略，FIFO和RR。关于这两种调度策略比较简单，教科书上也都有就不讲了。

与调度相关的系统调用

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chrt

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chrt --help

songyangji@SongyangJi-Ubuntu-DeskStop:~$ chrt --help

显示或更改某个进程的实时调度属性。

设置策略：

chrt [选项] <优先级> <命令> [<参数>…]

chrt [选项] --pid <优先级>

获取策略

chrt [选项] -p

策略选项：

-b, --batch 将策略设置为 SCHED_BATCH

-d, --deadline 将策略设置为 SCHED_DEADLINE

-f, --fifo 将策略设置为 SCHED_FIFO

-i, --idle 将策略设置为 SCHED_IDLE

-o, --other 将策略设置为 SCHED_OTHER

-r, --rr 将策略设置为 SCHED_RR (默认)

调度选项：

-R, --reset-on-fork 为 FIFO 或 RR 设置 SCHED_RESET_ON_FORK

-T, --sched-runtime DEADLINE 的运行时参数

-P, --sched-period DEADLINE 的周期参数

-D, --sched-deadline DEADLINE 的截止时间参数

其他选项：

-a, --all-tasks 对指定 pid 的所有任务(线程) 操作

-m, --max 显示最小和最大有效优先级

-p, --pid 对指定且存在的 pid 操作

-v, --verbose 显示状态信息

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第一份《Linux从入门到精通》466页

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内容简介

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