第四章 进程调度

为什么要进行进程调度：因为CPU资源是有限的，需要在进程间分配有限的处理器时间资源。
调度程序：决定哪个程序运行，何时运行，运行多久

多任务系统

• 多处理器：可实现并行
• 单处理器：并发

分类

• 抢占式多任务
  时间片：分配给进程的运行时间
  抢占：指调度程序在进程用尽时间片后，将其强制挂起以便其他进程运行的操作
  调度程序利用时间片做出调度决定，避免个别进程独占资源。

• 非抢占式多任务
  让步：非抢占模式下，除非进程自己挂起，否则就会一直执行。进程主动挂起自己的操作就是让步。
  理想情况下，进程需要做出让步，以便其他进程有足够的时间处理。
  缺点：调度程序无法对进程的执行时间做出规定，如果进程不让步的话，会使系统崩溃。

Linux的进程调度程序的发展

• O(1)调度程序
  使用静态时间片算法
  缺点：对交互程序表现不佳
• 完全公平调度算法（CFS）

调度器的策略进程

进程类型

• I/O消耗性
  多数时间在等待I/O请求，但是一旦读取，需要立刻响应
  不需要较长时间片
• 处理器消耗型
  通常没有太多I/O需求，一直在不停运行
  需要较长时间片
  调度算法应该尽量降低其调度频率而延长其调度时间

调度策略常常要在进程响应迅速和最大系统利用率之间平衡。
Linux和Unix常常更倾向于I/O消耗型程序。

进程优先级

调度算法中最基本的一类是基于优先级调度。
根据进程价值和其对处理器时间需求设置优先级。
通常优先级高的先运行，低的后运行，相同优先级进行轮转调度。

Linux两种优先级范围：

• nice值：越大优先级越低（-20~19）
• 实时优先级：越大优先级越高（0~99）

时间片

时间片太长：响应差
时间片太短：切换开销

多数操作系统：通过优先级和时间片调度进程
Linux CFS调度器：没有直接分配时间片，通过处理器使用比来调度，将使用比比当前进程小的投入运行。

Linux调度算法

调度器类

模块化结构。有多种不同调度算法并存。
每个调度器都有优先级，按照优先级遍历类，再由最高优先级调度器类调度进程。

Unix系统的进程调度

• 时间片
• 优先级：nice值和时间片的映射是绝对的

缺点：分配绝对的时间，引发固定频率的切换，给公平性造成很大的隐患

CFS调度

不使用时间片，而是分配给进程的处理器使用比重。
nice值作为进程获得处理器运行比的权重。
每个进程获得的处理器时间是自身与其他所有可运行进程nice值得相对差值决定的。
可以调度给它们无限小的时间周期（目标延迟），使得n个进程占用同样的1/n的处理器时间。
最小粒度：1ms。每个进程获得的时间片底线。

Linux调度的实现

时间记账

调度器对每个进程运行时间进行记账，每次系统时钟节拍变化，时间片就减少一个周期，当为0时，被其它不为0的时间片抢占。

虚拟实时：vruntime变量。记录一个程序运行了多久以及还需运行多久

进程选择

CFS调度算法的核心：挑选最小的vruntime进程下一个运行。
实现：使用红黑树组织可运行进程队列，并迅速找到最小的vruntime进程下一个运行。
挑选下一个进程：选择红黑树的最左边叶子结点所代表的进程
向树中加入进程：在进程变为可运行态或通过fork()第一次创建进程时，将进程插入到红黑树中，同时维护一个缓存，存放树的最左边的叶子结点
从树中删除进程：删除动作发生在进程阻塞（变为不可运行状态）或者终止时（结束运行）。如果删除的是最左边的叶子结点，就要寻找下一个结点，更新缓存。

调度器入口

函数schedule()：选择哪个程序可以运行，何时将其投入运行
通常和一个具体的调度类相关联，它会找到一个最高优先级的调度类，后者要有自己的可运行队列，然后问后者哪个是下一个运行的进程。

睡眠和唤醒

进程休眠：休眠（被阻塞的）进程进入一个特殊的不可执行状态
休眠原因：等待某些事件

• 执行了某些文件I/O，如read()，需要从磁盘读取
• 获取键盘输入，需要等待
• 尝试获取一个已被占用的内核信号量时被迫休眠

休眠的两种进程状态

• TASK_INTERRUPTIBLE 收到信号，会被提前唤醒并响应信号
• TASK_UNINTERRUPTIBLE 忽略信号，只等待事件唤醒

等待队列：
由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。

休眠时内核的操作：
进程将自己标记为休眠状态，从可执行红黑树中移出，放入等待队列，调用schedule()选择和执行下一个进程。

唤醒时内核的操作：
进程被设置为可执行状态，从等待队列移到可执行红黑树中。

抢占和上下文

上下文切换：从一个可执行进程切换到另一个可执行进程
由context_switch()函数负责，完成两个基本工作：

1. 把虚拟内存从上一个进程映射到下一个进程。
2. 从上一个处理器状态切换到新进程的处理器状态。需要保存、恢复栈信息和寄存器信息，还有其他相关状态信息。

need_resched标志：某个进程应该被抢占或者当一个优先级高的进程进入可执行状态时，进程的这个标志就会被设置。可以向内核表明信息，要尽快调用调度程序。
在返回用户空间以及中断返回时，内核也会检测该标志，如果被设置，内核会在继续执行前先调用调度程序。

用户抢占

指的是在内核返回用户空间时，如果need_resched被设置，会调用schedule()，发生用户抢占。

用户抢占发生的情况

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

不支持内核抢占的系统：
内核代码一直运行，直到完成。调度程序不能在一个内核级任务执行时重新调度。
内核抢占：
只要重新调度是安全的（没有持有锁），内核可以在任何事件抢占正在执行的任务。
为每个进程的thread_info引入了计数器preempt_count。初值为0，使用锁时就加1，释放时减1。当数值为0时，内核就可以抢占。
从中断返回内核空间时，内核检查need_resched和preempt_count，如果need_resched被设置，preempt_count为0，那么可以安全抢占；如果preempt_count不为0，则当前任务持有锁，抢占不安全，内核会从中断返回当前执行程序。当锁被释放，检查need_resched，如果被设置，则重新调度。
如果内核中的进程阻塞了，会显式地调用了schedule()，内核抢占也会显式发生。

内核抢占情况：

1. 中断处理程序正在执行，且返回内核空间前
2. 内核代码再一次具有可抢占性地时候
3. 内核显示调用schedule()
4. 内核中的进程阻塞了

实时调度策略

两种调度策略：

• 实时调度策略：SCHED_FIFO和SCHED_RR
  不被完全公平调度器管理，使用特殊的实时调度器管理。
  SCHED_FIFO：不使用时间片，SCHED_FIFO级的进程一旦处于可执行状态，会一直运行，直到阻塞或终止。只有更高优先级的SCHED_FIFO和SCHED_RR进程才能抢占，多个同优先级的SCHED_FIFO级进程轮流执行，其他级别低的SCHED_NOMAL级进程只能等待其运行结束。
  SCHED_RR：大致同上，只是它是带时间片的，耗尽分配的时间片就不能运行了，时间片用来重新调度同一优先级进程。低优先级进程不能抢占SCHED_RR，即使它时间片耗尽。
  默认实时优先级：0~99
• 普通非实时调度策略：SCHED_NOMAL

与调度相关的系统调用

Linux提供了一个系统调用族，用于管理与调度程序相关的函数。如设置或获取调度策略，实时优先级扽的系统调用。
Linux调度程序提供强制的处理器绑定机制。
sched_yield()系统调用

• 提供一种让进程显式将处理器时间让给其他等待执行进程的机制。
• 通过将进程从活动队列移到过期队列实现，过期队列确保在一段时间不再执行。
• 实时进程是例外，不会过期，只是被移动到优先级队列最后面。