Linux内核学习笔记（六）进程调度

综述

内核调度子系统负责进程调度，调度程序决定让哪个进程运行、什么时候运行、运行多久。调度程序的目标有两个：一个是最大化系统资源的利用率，一个是减少和用户的交互延迟，让用户觉得多个进程在同时运行。这两个目标是冲突的，需要做trade-off。

多任务操作系统

多任务操作系统指的是指可以多个进程同时交错执行的操作系统。在单处理器机器上，用户会产生有多个进程同时在不同的处理器上在同时执行的错觉。多任务系统可以分成两种：协作式（cooperative）和抢占式（preemptive）多任务系统。包括Linux、Windows在内的大部分操作系统都属于抢占式多任务系统。

抢占式多任务操作系统中，调度程序决定一个进程什么时候停止执行。调度程序终止一个进程的执行（并不是这个进程自愿的）并让另一个进程执行的行为被称为抢占，进程在被抢占之前可以运行的时间一般由调度程序预先确定，被称为时间片（timeslice）。时间片一般是动态计算的，Linux没有直接使用时间片，而是使用了处理器比例（processor proportion）来规定进程运行时间。

协作式多任务操作系统中，调度程序无法决定进程可以运行多久，一个进程除非自己主动地暂停并放弃CPU，否则可以一直执行下去，独占CPU，不会出现抢占的情况。进程通常会主动暂停执行，否则系统可能就会宕机了。

I/O-Bound进程和Processor-Bound进程

进程可以分为I/O-Bound和Processor-Bound，前者代表进程花费大量时间提交和等待I/O请求，这种类型的进程通常执行一段很短的时间，然后阻塞等待新的I/O，大部分GUI应用属于I/O bound，虽然GUI应用很少读写磁盘，但是他们花费大量时间等待用户通过键盘和鼠标进行交互。Processor-Bound进程是花费大量时间执行代码的进程，通常只有被抢占的时候才会停止执行，因为他们不会因为I/O请求被阻塞。对于Processor-Bound进程，调度策略倾向于让进程以较少的运行次数执行较长的时间，即每次运行时间较长。

这两种类别并不是互斥的，进程可以同时具有这两类行为，X Windows Server既是I/O-Bound也是Processor-Bound。文字处理软件大部分时间在等待用户输入（I/O-Bound），但是某些时刻会进行拼写检查或者宏计算等（Processor-Bound）。

调度程序必须尝试同时满足两个互相冲突的目标：快速响应（低延时）和最大化系统利用率（高吞吐量）。为了选择“最有价值的”的进程执行并同时照顾其他低优先级的进程，调度器通常需要采用非常复杂的调度策略。Unix系统的调度策略通常优先考虑低延时目标，Linux为了确保优秀的交互响应和桌面系统性能也优先考虑低延时目标，但是Linux采用的调度策略并不会忽视Processor-Bound进程（稍后会说）。

进程优先级

基于优先级的调度算法是一种典型的调度算法，根据进程的价值和需求给进程一个合适的优先级，通常（Linux中不是这样做的），优先级高的进程先于优先级低的进程运行，优先级相同的进程使用循环(round-roubin)方式运行。此外，优先级高的进程还会获得更长的时间片。

Linux内核中进程可以分为互斥的两种：普通进程（normal process） 和 实时进程（read-time process）。后者的优先级永远高于前者，两者分别使用独立的优先级范围，只有当没有实时进程需要运行时，普通进程才能够获得调度。前者使用nice值，是一个-20到19之间的数值，nice值越大，优先级越低（对其他进程来说你很nice），nice值越小优先级越大（这个进程对其他进程来说不nice）。不同的Unix系统对nice值的处理是不一样的，Mac OS X中使用nice值确定时间片的绝对长度，Linux中，nice值控制时间片的分配比例（timeslice proportion），nice值越小，获得的比例越大（这里的比例可以理解度时间片的相对长度）。Linux中使用ps -el命令可以查看进程的nice值（NI列），值为“-”的进程是read-time process，没有nice值。

read-time proc