Linux进程调度内核实现分析

本文根据两篇博客总结，它们的地址分别是：
http://blog.youkuaiyun.com/giantpoplar/article/details/51791002
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所谓抢占

• 抢占式
  
  • 调度程序决定进程何时停止，为其他进程腾出 CPU 资源，这种强制挂起行为就是抢占。进程被抢占前运行时间为提前设定好的时间片。
• 非抢占
  
  • 进程占据 CPU 资源不放，除非自己主动调用 schedule() 函数，这称为进程让步。

什么是调度

调度的原因：现代操作系统都是多任务的，为了能让操作系统更好的发挥多任务的特性，需要一个管理程序来管理所有任务，这个程序就是调度程序。

调度程序的功能有：

1. 负责让那些进程运行，那些进程等待
2. 决定每个进程运行多长时间

此外为了更好地用户体验，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的进程能够最大限度使用CPU（即尽量少的切换进程），另一方面，保证各个进程公平使用CPU（即防止一个进程长时间独占CPU的情况）

调度实现原理

调度主要基于进程优先级和时间片实现。

进程的优先级

进程的优先级有两种度量方法，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队列的话，它们会抢占一般进程的运行时间。

进程的实时优先级高于 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

    #define MAX_USER_RT_PRIO    100
    #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

    #define MAX_PRIO            (MAX_RT_PRIO + 40)

一个进程有只能拥有实时优先级和 nice 值其中之一。

时间片

有了优先级，就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，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。时间片表示一个进程抢占前能持续运行的时间。
时间片设定，过大会让系统响应变慢；过小会产生由于进程频繁切换带来的开销。
默认的时间片一般为 10ms。

调度的实现原理

基本步骤我的理解是：

1. 首先确定每个进程占用多少 CPU 时间，如利用 nice 值进行计算。
2. 让占用 CPU 时间多的先运行。（让列宁同志先走）
3. 运行完后，扣除运行进程的 CPU 时间，接下来继续重复这三步。

Linux上调度实现的方法

Linux 上采用了“完全公平调度算法”，简称“CFS”。
CFS 算法在分配给每个进程 CPU 时间时，不是分配给它们一个 CPU 的绝对时间，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。

举例：

进程名	nice值	百分比
进程A	1	10%
进程B	3	30%
进程C	6	60%

由上图可知，占据百分比之和就是 100%。所以我的理解是 Linux 下 CFS 算法的主要步骤有：

1. 计算每个进程的 vruntime，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。
3. 进程运行完后，更新 vruntime，再回到步骤 2。

vruntime 变量存放进程的虚拟运行时间，该运行时间（花在运行上的时间和）是通过对可运行总数的加权后得出的，单位是 ns。计算权重实际上就是计算占用 CPU 的百分比，通过它得出 vruntime，用来记录一个程序运行了多长时间以及还应运行多久。

• 时间记账
  使用 sched_entity 结构体进行记账，该结构体在 task_struct 中被包含。vruntime 作用上面说过了。
• 进程选择
  使用红黑树存放进程队列，以 vruntime 为键值，每次选择 vruntime 最小的进程。这里有用到了一个 trick，使用 leftmost 缓存了红黑树的最左叶子节点，提高效率（STL也这么干了）。
• 调度器入口
  schedule() 函数调用 pick_next_task() 函数，按照优先级从大到小一次检查每一个调度类，从最高优先级调度类中，选择最高优先级进程。
• 睡眠和唤醒
  睡眠：进程标记为 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态，从红黑树中移除，放入等待队列，调用 schedule 选择和执行一个其他的进程。
  唤醒：通过 wake_up() 函数唤醒，进程标记为 TASK_RUNNING 状态，从等待队列放入红黑树中。

上下文切换

• switch_mm() 函数把虚拟内存从上一个进程切换到新进程。
• switch_to() 从上一个处理器状态切换到新处理器状态，保存回复栈寄存器信息。

调用schedule()的时机

• 某个进程应该被抢占，scheduer_tick 设置为 need_resched。
• 一个优先级高的进程进入可执行状态，try_wake_up 设置为 need_resched。
• 从内核返回用户空间或从中断返回，内核检查 need_resched。如果已经设置，内核会在继续执行之前调用调度程序

抢占时机

用户抢占：

1. 从系统调用返回用户空间。
2. 从中断处理程序返回用户空间。

内核抢占：

1. 中断处理程序正在执行，且返回内核空间之前。
2. 内核代码再一次具备可抢占性的时候（我认为就是出于临界区之外时）。
3. 如果内核中的代码显示调用 schedule()。
4. 如果内核中任务阻塞。

实时调度

SCHED_FIFO：不使用时间片，先入先出。只有更高优先级别的SCHED_FIFO，SHED_RR 进程才能抢占，同一级别不能抢占。
SCHED_RR：带有时间片，实时轮流调度。时间片耗尽，允许同一级别进程抢占。