Run Queue

最新推荐文章于 2025-05-09 16:23:44 发布

若风的雨

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文章标签： linux

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ruofengdeyu/article/details/145677554

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在操作系统中，**Run Queue（运行队列）是调度器的核心数据结构，用于管理所有处于就绪状态（Ready）**的进程或线程。它直接决定了调度器如何选择下一个要执行的任务，是影响系统性能（如吞吐量、延迟、公平性）的关键组件。

1. Run Queue 的核心作用

任务组织：维护所有可立即运行的进程/线程，按调度策略（如优先级、时间片）排序。
快速决策：通过高效数据结构（如红黑树、多级队列）快速选择下一个待执行任务。
多核扩展：在多核系统中，每个CPU核心通常有独立的运行队列（Per-CPU Run Queue），避免全局锁竞争。

2. Run Queue 的典型实现

Linux CFS 调度器的运行队列

// Linux内核源码片段（简化）
struct cfs_rq {
    struct rb_root_cached   tasks_timeline;  // 红黑树（按vruntime排序）
    struct sched_entity    *curr;            // 当前正在运行的任务
    unsigned int            nr_running;      // 队列中的任务数量
    u64                     min_vruntime;    // 最小虚拟时间（用于公平性计算）
};

数据结构：使用**红黑树（Red-Black Tree）**按任务的vruntime（虚拟运行时间）排序，保证每次调度选择最小vruntime的任务（时间复杂度O(1)）。
公平性：min_vruntime跟踪队列中所有任务的最小虚拟时间，防止新任务因历史vruntime过大而饥饿。

实时调度（RT）的运行队列

struct rt_rq {
    struct rt_prio_array    active;          // 优先级数组（每个优先级一个链表）
    int                     rt_nr_running;   // 队列中的实时任务数
};

数据结构：使用多级链表，每个优先级（0~99）对应一个链表，调度时按优先级从高到低遍历。

3. Run Queue 的关键操作

操作	描述	时间复杂度
入队（enqueue）	将新就绪任务加入队列（如唤醒睡眠任务、时间片到期重新排队）	O(log n)（红黑树）
出队（dequeue）	从队列中移除任务（如任务开始运行、被阻塞或终止）	O(log n)
选择任务（pick_next）	根据调度策略选择下一个要运行的任务	O(1)（CFS选择最左节点）
负载统计	统计队列中的任务数量（用于负载均衡）	O(1)

4. 多核架构下的 Run Queue 优化

Per-CPU Run Queue

设计目标：减少多核间锁竞争，提高可扩展性。
实现方式：
- 每个CPU核心维护独立的运行队列。
- 任务创建时根据亲和性（CPU Affinity）分配到指定队列。
负载均衡：
- 主动迁移（Pull）：空闲CPU从繁忙CPU队列“拉取”任务。
- 被动迁移（Push）：周期性检查各队列负载，触发任务迁移。

NUMA 感知调度

优化原则：优先在同NUMA节点内的CPU间迁移任务，减少跨节点内存访问延迟。
数据结构扩展：运行队列附加NUMA节点信息，调度时优先选择本地节点任务。

5. Run Queue 与性能指标

队列长度（nr_running）：反映CPU负载（如top命令中的load average包含运行队列长度）。
- 若 nr_running > CPU核数，表明系统过载，任务需等待调度。
调度延迟：任务在队列中的等待时间，直接影响交互式应用的响应速度。
吞吐量：单位时间内完成的任务数，与队列调度效率强相关。