Linux 进程调度-优快云博客

进程调度是操作系统的核心功能，它决定了哪个进程在何时使用 CPU。Linux 内核的调度器经过多次演变，如今已成为一个高效、复杂且支持多种需求的模块。

进程分为实时进程和普通进程。实时进程是直接与用户交互的，需要实时响应。而普通进程不需要实时响应，例如压缩文件、视频编码解码等。

Linux 将进程分为两大类，调度器对它们采取不同的策略：

实时进程 (Real-Time Processes)
- 特点：对响应时间和 deadlines（最后期限）有严格要求。用于需要确定性行为的任务。
- 子类：
  - SCHED_FIFO (先进先出)：最高优先级的进程会一直运行，直到它主动放弃 CPU 或被更高优先级的实时进程抢占。
  - SCHED_RR (轮流调度)：在相同优先级的实时进程之间分配时间片。当一个进程用完它的时间片后，会被放到同优先级队列的末尾，让下一个进程运行。
- 优先级范围：0 到 99 (数值越大，优先级越高)。
普通进程 (Normal Processes)
- 特点：绝大多数用户进程都属于此类。它们没有严格的实时性要求，调度器的目标是公平性和良好的整体系统吞吐量，而不是低延迟。
- 默认调度策略：SCHED_NORMAL (在用户空间通过 nice 命令设置时也称为 SCHED_OTHER)。
- 调度器：由 完全公平调度器 (CFS) 负责管理。

背景：CPU 通过时间片 (Time Slice) 技术模拟“同时”运行多个进程。一个进程运行一个时间片后，调度器会切换到另一个进程。
定义：上下文切换是指将 CPU 从一个正在运行的进程切换到另一个就绪进程时所执行的操作。
过程：
1. 保存上下文：将当前进程的执行状态（称为上下文，Context）保存到其进程控制块 (PCB) 中。这包括程序计数器、CPU 寄存器、页表信息等。
2. 加载上下文：从下一个要运行进程的 PCB 中加载其上下文到 CPU 的寄存器和相关系统中。
3. 切换地址空间：切换内核栈和虚拟内存地址空间（MMU 页表）。
开销：上下文切换本身需要 CPU 时间，是一种开销。过于频繁的切换会导致系统效率降低，因为 CPU 花在“管理进程”上的时间多于“执行进程”的时间。

以下几种算法是调度理论的基础，现代调度器（如 CFS）的灵感来源于它们：

FIFO (First-In, First-Out) / FCFS (First-Come, First-Served)
- 描述：最简单的算法，先来的进程先运行，直到完成。
- 缺点：护航效应 (Convoy Effect)。一个长进程会阻塞后面所有短进程，平均等待时间很长。
SJF (Shortest Job First) / STF (Shortest Time First)
- 描述：选择预计运行时间最短的进程先运行。
- 优点：理论上平均等待时间最优。
- 缺点：非抢占式。如果长进程已经运行，后来的短进程也必须等待。无法预知每个作业的运行时间。
STCF (Shortest Time-to-Completion First) / PSJF (Preemptive SJF)
- 描述：抢占式的 SJF。当一个新进程到达时，如果它的预计运行时间比当前剩余运行进程的剩余时间还短，就抢占 CPU。
- 特点：解决了 SJF 的护航问题，是理论上的一个飞跃。
RR (Round Robin, 轮询)
- 描述：为每个进程分配一个时间片 (Quantum)。进程轮流运行一个时间片，如果没完成就排到就绪队列的末尾。
- 优点：公平性好，响应时间短，适合交互式系统。
- 缺点：时间片设置是关键。太短导致切换开销大；太长则退化为 FIFO，响应性变差。

Linux 的 CFS 并没有直接采用以上任何一种，而是基于一个更抽象的概念： 公平分配 CPU 时间。

Linux 内核为每种调度策略（如 SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_NORMAL）维护着不同的队列。对于普通进程，CFS 使用一个红黑树 (Red-Black Tree) 而不是一个简单的 FIFO 队列来管理可运行进程。

Linux 为普通进程提供了两种优先级：

静态优先级 (Static Priority)
- 由用户或程序通过 nice 值设置。
- 范围：-20 到 +19 (默认值为 0)。nice 值越高，优先级越低。（，，，可以理解为好人没好报）
- “静态”意味着它通常不会由内核改变，除非用户显式修改。
动态优先级 (Dynamic Priority)
- 由调度器在静态优先级的基础上计算而来，是调度器实际使用的优先级。
- CFS 会根据进程的交互性进行微调。例如，一个长时间等待 I/O 的交互式进程在被唤醒时可能会获得一个临时的优先级提升，以便更快地响应用户，从而提供更好的用户体验。

O(n) 调度器：内核维护一个全局的进程运行队列。每次调度时，它需要遍历整个队列（n 个进程）来找出优先级最高且可运行的进程。进程数量 n 很大时，性能瓶颈非常明显。
O(1) 调度器：计算机中位运算最快，所以将0-139优先级映射成一个bitmap，如果这个优先级上有进程，这个位就被置为1。解决了遍历问题，调度选择时间变为常数时间，与进程数量无关。
CFS (Completely Fair Scheduler, 完全公平调度器)
- 引入：从 Linux 2.6.23 内核开始成为默认的普通进程调度器。
- 设计理念：不是分配时间片，而是分配 CPU 使用比例。目标是让所有可运行进程在一段时间内都能公平地获得其应得的 CPU 时间份额。
- 实现：使用红黑树数据结构，以 vruntime（虚拟运行时间）为键值。总是选择 vruntime 最小的进程来运行。
- vruntime 的精妙之处：它不是一个简单的计时器。一个高优先级（低 nice 值）的进程，其 vruntime 会增长得慢，因此它会在红黑树中保持靠左的位置，从而更频繁地被调度到，获得更多CPU时间。这完美地实现了按权重分配。

总结对比

特性	O(n) 调度器	O(1) 调度器	CFS 调度器
调度复杂度	O(n)	O(1)	O(log N) (因红黑树)
核心数据结构	一个全局链表	Per-CPU 优先级数组 + Bitmap	Per-CPU 红黑树
公平性	一般	较好（但启发式算法复杂且易出错）	极好（数学模型保证）
设计目标	简单	扩展性、响应速度	绝对公平、可预测性