Linux 内核进程调度

一、进程的分类

在CPU的角度看进程行为的话，可以分为两类：

• CPU消耗型：此类进程就是一直占用CPU计算，CPU利用率很高。
• IO消耗型：此类进程会涉及到IO，需要和用户交互，比如键盘输入，占用CPU不是很高，只需要CPU的一部分计算，大多数时间是在等待IO。

CPU消耗型进程需要高的吞吐率，IO消耗型进程需要强的响应性，这两点都是调度器需要考虑的。

为了更快响应IO消耗型进程，内核提供了一个抢占（preempt）机制，使优先级更高的进程，去抢占优先级低的进程运行。内核用以下宏来选择内核是否打开抢占机制：

• CONFIG_PREEMPT_NONE：不打开抢占，主要是面向服务器。此配置下，CPU在计算时，当输入键盘之后，因为没有抢占，可能需要一段时间等待键盘输入的进程才会被CPU调度。
• CONFIG_PREEMPT：打开抢占，一般多用于手机设备。在配置下，虽然会影响吞吐率，但可以及时响应用户的输入操作。

二、调度相关的数据结构

1.task_struct

task_struct中和调度相关的结构。

struct task_struct {
 ......
 const struct sched_class *sched_class;
 struct sched_entity  se;
 struct sched_rt_entity  rt;
 ......
 struct sched_dl_entity  dl;
 ......
 unsigned int   policy;
 ......
}

struct sched_class：对调度器进行抽象，一共分为5类。

1. Stop调度器：优先级最高的调度类，可以抢占其他所有进程，不能被其他进程抢占；
2. Deadline调度器：使用红黑树，把进程按照绝对截止期限进行排序，选择最小进程进行调度运行；
3. RT调度器：为每个优先级维护一个队列；
4. CFS调度器：采用完全公平调度算法，引入虚拟运行时间概念；
5. IDLE-TASK调度器：每个CPU都会一个IDLE线程，当没有其他进程可以调度是，调度运行IDLE线程。

unsigned int policy：进程的调度策略有6种，用户可以调用调度器里面的不同调度策略。

1. SCHED_DEADLINE：使用task选择DEADLINE调度器来调度运行；
2. SCHED_RR：时间片轮转，进程用完时间片后加入优先级对应运行队列的尾部，把CPU让给同优先级的其他进程；
3. SCHED_FIFO：先进先出调度没有时间片，没有更高优先级的情况下，只能等待主动让出CPU；
4. SCHED_NORMAL：使task选择CFS调度器来调度运行；
5. SCHED_BATCH：批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行；
6. SCHED_IDLE：使task以最低优先级选择CFS调度器来调度运行。

• struct sched_entity se：采用CFS算法调度的普通非实时进程的调度实体。
• struct sched_rt_entity rt：采用Roound-Robin或者FIFO算法调度的实时调度实体。
• struct sched_dl_entity dl：采用EDF算法调度的实时调度实体。

分配给CPU的task，作为调度实体加入到运行队列中。

2.runqueue 运行队列

runqueue运行队列是本CPU上所有可运行进程的队列集合。每个CPU都有一个运行队列，每个运行队列中有三个调度队列，task作为调度实体加入到各自的调度队列中。

struct rq {
 ......
 struct cfs_rq cfs;
 struct rt_rq rt;
 struct dl_rq dl;
 ......
}

三个调度队列

• struct cfs_rq cfs：CFS调度队列；
• struct rt_rq rt：RT调度队列；
• struct dl_rq dl：DL调度队列。

• cfs_rq：跟踪就绪队列信息以及管理就绪态调度实体，并维护一棵按照虚拟时间排序的红黑树。tasks_timeline->rb_root是红黑树的根，tasks_timeline->rb_leftmost指向红黑树中最左边的调度实体，即虚拟时间最小的调度实体。 

struct cfs_rq {
  ...
  struct rb_root_cached tasks_timeline
  ...
};

• sched_entity：可被内核调度的实体。每个就绪态的调度实体sched_entity包含插入红黑树中使用的节点rb_node，同时vruntime成员记录已经运行的虚拟时间。

struct sched_entity {
  ...
  struct