Linux的进程调度及内核实现

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#linux #运维 #服务器 #内核 #进程

本文主要介绍Linux进程调度及内核实现，顺序如下：进程调度的关键数据结构->调度的不同方式->调度触发方式和进程间切换过程

一、进程管理的关键数据结构

1.1 task_struct

task_struct是内核描述进程的结构体，包括了调度策略、优先级等信息

struct task_struct {
    // 1. 调度策略：决定进程属于哪种调度类（实时/公平/空闲）
    unsigned int policy;          // 如 SCHED_NORMAL（公平）、SCHED_RR（实时）
    // 2. 优先级相关：静态/动态/实时优先级
    int static_prio;              // 静态优先级（用户通过nice设置，100-139）
    int normal_prio;              // 常规优先级（由static_prio和policy计算）
    int rt_prio;                  // 实时优先级（0-99，值越小优先级越高）
    int prio;                     // 当前动态优先级（可能因优先级继承临时提升）
    // 3. 调度类：指向进程所属的调度类（如fair_sched_class）
    const struct sched_class *sched_class;
    // 4. 调度实体：封装进程的调度信息（如vruntime、权重）
    struct sched_entity se;       // 公平调度（CFS）的实体
    struct sched_rt_entity rt;    // 实时调度的实体
    // 5. 运行队列关联：进程当前归属的CPU运行队列
    struct rq *on_rq;             // 非NULL表示进程在就绪队列中
    // 6. 抢占标志：是否需要调度（由内核设置，schedule()检查）
    unsigned int flags;           // 含 TIF_NEED_RESCHED（需调度）
    // ... 其他字段（内存、文件、信号等）
};

优先级规则：实时进程>普通进程

实时进程(rt_prio)值越小优先级越高

普通优先级(static_prio)值越小优先级越高

动态优先级(prio)：默认等于normal_prio，但会因优先级继承临时提升，避免 “优先级反转”

1.2 sched_class调度类

Linux通过调度类实现对不同调度策略的封装，本质是一个含函数指针的结构体，定义调度的一些核心操作（入队、出队等）

struct sched_class {
    // 1. 调度类名称（如"fair"、"rt"）
    const char *name;
    // 2. 入队：将进程加入就绪队列（如进程唤醒后）
    void (*enqueue_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    // 3. 出队：将进程从就绪队列移除（如进程阻塞、退出）
    void (*dequeue_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    // 4. 选择下一个要运行的进程（调度器核心逻辑）
    struct task_struct *(*pick_next_task)(struct rq *rq);
    // 5. 切换前准备：将当前进程放回就绪队列（如时间片用完）
    void (*put_prev_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
    // 6. 检查是否需要抢占当前进程
    void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    // ... 其他函数（如任务创建、优先级修改）
};

调度类按优先级从高到低排列如下

stop_sched_class	用于停止CPU
dl_sched_class	用于调度截止时间策略的任务
rt_sched_class	用于调度实时策略的任务
fair_sched_class	用于调度公平调度策略的任务
idle_sched_class	每个CPU上有一个空闲任务，无其他任务运行时会运行该空闲任务

1.3进程状态

二、核心调度策略与算法实现

2.1公平调度（CFS）

CFS是linux默认调度器，核心思想是假设有N个进程，每个进程都获得1/N的CPU时间，实际实现是通过vruntime计算进程虚拟运行时间，优先调度vruntime最小的进程，确保每个进程的vruntime增长速率与权重匹配。

计算公式为vruntime+=实际运行时间*N/进程权重（N表示系统CPU数量），

CFS调度器采用动态时间片（每个进程运行的时间），时间片长度由调度延迟和进程权重决定

时间片长度=（进程权重/总权重）*调度延迟

调度延迟指所有就绪进程轮询一次的总时间

例如：

单核CPU上有两个权重（weight）相同的进程，总权重为2weight，调度延迟=6ms。

那么每个进程的时间片=（weight/2weight）*6ms=3ms.

CFS采用红黑树数据结构组织可运行的调度实体，键为调度进程的vruntime，最左节点为整棵树中vruntime值最小的节点，即下一个应该被运行的任务。

当任务被唤醒或状态改变时，会被插入到红黑树中，当任务被调度运行或因各种事件离开时，会从树中被移除。

为什么要用红黑树管理调度任务，而不直接用二叉搜索树，是因为红黑树在频繁的动态插入和删除过程中，通过自身规则自动保持树的近似平衡，防止退化成链表，从而保证操作的时间复杂度为O(logn),用二叉搜索树的话，在极端情况下退化成链表，导致操作的时间复杂度变为O(n)，使性能不稳定。

2.2实时调度器（RT）

负责调度SCHED_FIFO和SCHED_RR策略的任务

SCHED_FIFO采用先进先出实时调度，无时间片概念，进程一旦获得CPU会一直占用直到自己主动放弃或被更高优先级抢占。

SCHED_RR采用时间片轮转调度，运行时间片（默认 100ms）后，若有同优先级的就绪进程，会被放到该优先级链表末尾，让下一个同优先级进程运行，仍支持被更高优先级的实时进程抢占。

实时调度器为每个优先级维护了一个队列数组，还使用了位图来表示对应优先级的队列是否非空（每个比特位bit表示空或非空二元状态），调度器通过查找位图，可以快速地找到最高优先级的非空队列，然后从该队列的头部取出任务运行。

2.3截止时间调度

每个进程需指定三个参数：

runtime（每次周期内需要的CPU时间，如10ms）、period（进程的运行周期，如100ms表示每100ms需要10msCPU运行时间）、deadline（截止时间，如周期结束前10ms，值就等于100ms-10ms）。

优先调度截止时间最早的进程，确保进程在截止时间前完成。

三、调度触发方式与进程间切换

调度器不会主动运行，需要通过触发事件触发schedule()（调度主函数）。

3.1主动调度-进程主动放弃CPU

进程阻塞	调用sleep()、wait()、poll()等	进入可中断睡眠态或不可中断睡眠态，内核在进程阻塞前调用schedule()
主动让出CPU	调用sched_yield()	进程仍为就绪态，但会重新被插入就绪队列尾部，触发调度
进程退出	调用exit()	内核调用schedule选择新进程