行程排程

主要內容：

• 什麼是調度
• 調度實現原理
• Linux上調度實現的方法
• 調度相關的系統調用

1. 什麼是調度

現在的操作系統都是多任務的，為了能讓更多的任務能同時在系統上更好的運行，需要一個管理程序來管理計算機上同時運行的各個任務（也就是進程）。

這個管理程序就是調度程序，它的功能說起來很簡單：

• 決定哪些進程運行，哪些進程等待
• 決定每個進程運行多長時間

此外，為了獲得更好的用戶體驗，運行中的進程還可以立即被其他更緊急的進程打斷。

總之，調度是一個平衡的過程。一方面，它要保證各個運行的進程能夠最大限度的使用CPU(即儘量少的切換進程，進程切換過多，CPU的時間會浪費在切換上)；另一方面，保證各個進程能公平的使用CPU(即防止一個進程長時間獨佔CPU的情況)。

2. 調度實現原理

前面說過，調度功能就是決定哪個進程運行以及進程運行多長時間。

決定哪個進程運行以及運行多長時間都和進程的優先級有關。為了確定一個進程到底能持續運行多長時間，調度中還引入了時間片的概念。

2.1 關於進程的優先級

進程的優先級有2種度量方法，一種是nice值，一種是實時優先級。

nice值的範圍是-20～+19，值越大優先級越低，也就是說nice值為-20的進程優先級最大。

實時優先級的範圍是0～99，與nice值的定義相反，實時優先級是值越大優先級越高。

實時進程都是一些對響應時間要求比較高的進程，因此係統中有實時優先級高的進程處於運行隊列的話，它們會搶佔一般的進程的運行時間。

進程的2種優先級會讓人不好理解，到底哪個優先級更優先？一個進程同時有2種優先級怎麼辦？

其實linux的內核早就有了解決辦法。

對於第一個問題，到底哪個優先級更優先？

答案是實時優先級高於nice值，在內核中，實時優先級的範圍是 0～MAX_RT_PRIO-1 MAX_RT_PRIO的定義參見 include/linux/sched.h

1611 #define MAX_USER_RT_PRIO        100
1612 #define MAX_RT_PRIO             MAX_USER_RT_PRIO

nice值在內核中的範圍是 MAX_RT_PRIO～MAX_RT_PRIO+40 即 MAX_RT_PRIO～MAX_PRIO

1614 #define MAX_PRIO                (MAX_RT_PRIO + 40)

第二個問題，一個進程同時有2種優先級怎麼辦？

答案很簡單，就是一個進程不可能有2個優先級。一個進程有了實時優先級就沒有Nice值，有了Nice值就沒有實時優先級。

我們可以通過以下命令查看進程的實時優先級和Nice值：(其中RTPRIO是實時優先級，NI是Nice值)

$ ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,ni,time,comm
S   UID   PID  PPID RTPRIO  NI     TIME COMMAND
S     0     1     0      -   0 00:00:00 systemd
S     0     2     0      -   0 00:00:00 kthreadd
S     0     3     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/0
S     0     6     2     99   - 00:00:00 migration/0
S     0     7     2     99   - 00:00:00 watchdog/0
S     0     8     2     99   - 00:00:00 migration/1
S     0    10     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/1
S     0    12     2     99   - 00:00:00 watchdog/1
S     0    13     2     99   - 00:00:00 migration/2
S     0    15     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/2
S     0    16     2     99   - 00:00:00 watchdog/2
S     0    17     2     99   - 00:00:00 migration/3
S     0    19     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/3
S     0    20     2     99   - 00:00:00 watchdog/3
S     0    21     2      - -20 00:00:00 cpuset
S     0    22     2      - -20 00:00:00 khelper

2.2 關於時間片

有了優先級，可以決定誰先運行了。但是對於調度程序來說，並不是運行一次就結束了，還必須知道間隔多久進行下次調度。

於是就有了時間片的概念。時間片是一個數值，表示一個進程被搶佔前能持續運行的時間。

也可以認為是進程在下次調度發生前運行的時間(除非進程主動放棄CPU，或者有實時進程來搶佔CPU)。

時間片的大小設置並不簡單，設大了，系統響應變慢(調度週期長)；設小了，進程頻繁切換帶來的處理器消耗。默認的時間片一般是10ms

2.3 調度實現原理（基於優先級和時間片）

下面舉個直觀的例子來說明：

假設系統中只有3個進程ProcessA(NI=+10)，ProcessB(NI=0)，ProcessC(NI=-10)，NI表示進程的nice值，時間片=10ms

1. 調度前，把進程優先級按一定的權重映射成時間片(這裡假設優先級高一級相當於多5msCPU時間)。

   假設ProcessA分配了一個時間片10ms，那麼ProcessB的優先級比ProcessA高10(nice值越小優先級越高)，ProcessB應該分配105+10=60ms，以此類推，ProcessC分配205+10=110ms

2. 開始調度時，優先調度分配CPU時間多的進程。由於ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(110ms)。顯然先調度ProcessC

3. 10ms(一個時間片)後，再次調度時，ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(100ms)。ProcessC剛運行了10ms，所以變成100ms。此時仍然先調度ProcessC

4. 再調度4次後(4個時間片)，ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(60ms)。此時ProcessB和ProcessC的CPU時間一樣，這時得看ProcessB和ProcessC誰在CPU運行隊列的前面，假設ProcessB在前面，則調度ProcessB

5. 10ms(一個時間片)後，ProcessA(10ms),ProcessB(50ms),ProcessC(60ms)。再次調度ProcessC

6. ProcessB和ProcessC交替運行，直至ProcessA(10ms),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

   這時得看ProcessA，ProcessB，ProcessC誰在CPU運行隊列的前面就先調度誰。這裡假設調度ProcessA

7. 10ms(一個時間片)後，ProcessA(時間片用完後退出),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

8. 再過2個時間片，ProcessB和ProcessC也運行完退出。

這個例子很簡單，主要是為了說明調度的原理，實際的調度算法雖然不會這麼簡單，但是基本的實現原理也是類似的：

1）確定每個進程能佔用多少CPU時間(這裡確定CPU時間的算法有很多，根據不同的需求會不一樣)

2）佔用CPU時間多的先運行

3）運行完後，扣除運行進程的CPU時間，再回到 1）

3. Linux上調度實現的方法

Linux上的調度算法是不斷髮展的，在2.6.23內核以後，採用了“完全公平調度算法”，簡稱CFS。

CFS算法在分配每個進程的CPU時間時，不是分配給它們一個絕對的CPU時間，而是根據進程的優先級分配給它們一個佔用CPU時間的百分比。

比如ProcessA(NI=1)，ProcessB(NI=3)，ProcessC(NI=6)，在CFS算法中，分別佔用CPU的百分比為：ProcessA(10%)，ProcessB(30%)，ProcessC(60%)

因為總共是100%，ProcessB的優先級是ProcessA的3倍，ProcessC的優先級是ProcessA的6倍。

Linux上的CFS算法主要有以下步驟：(還是以ProcessA(10%)，ProcessB(30%)，ProcessC(60%)為例)

1)計算每個進程的vruntime(注1)，通過update_curr()函數更新進程的vruntime。

2)選擇具有最小vruntime的進程投入運行。（注2）

3)進程運行完後，更新進程的vruntime，轉入步驟2) （注3）

注1. 這裡的vruntime是進程虛擬運行的時間的總和。vruntime定義在：kernel/sched_fair.c 文件的 struct sched_entity 中。

注2. 這裡有點不好理解，根據vruntime來選擇要運行的進程，似乎和每個進程所佔的CPU時間百分比沒有關係了。

1）比如先運行ProcessC，(vr是vruntime的縮寫)，則10ms後：ProcessA(vr=0)，ProcessB(vr=0)，ProcessC(vr=10)

2）那麼下次調度只能運行ProcessA或者ProcessB。(因為會選擇具有最小vruntime的進程)

長時間來看的話，ProcessA、ProcessB、ProcessC是公平的交替運行的，和優先級沒有關係。

而實際上vruntime並不是實際的運行時間，它是實際運行時間進行加權運算後的結果。

比如上面3個進程中ProcessA(10%)只分配了CPU總的處理時間的10%，那麼ProcessA運行10ms的話，它的vruntime會增加100ms。

以此類推，ProcessB運行10ms的話，它的vruntime會增加(100/3)ms,ProcessC運行10ms的話，它的vruntime會增加(100/6)ms。

實際的運行時，由於ProcessC的vruntime增加的最慢，所以它會獲得最多的CPU處理時間。

上面的加權算法是我自己為了理解方便簡化的，Linux對vruntime的加權方法還得去看源碼-

注3.Linux為了能快速的找到具有最小vruntime，將所有的進程的存儲在一個紅黑樹中。這樣樹的最左邊的葉子節點就是具有最小vruntime的進程，新的進程加入或有舊的進程退出時都會更新這棵樹。

其實Linux上的調度器是以模塊方式提供的，每個調度器有不同的優先級，所以可以同時存在多種調度算法。

每個進程可以選擇自己的調度器，Linux調度時，首先按調度器的優先級選擇一個調度器，再選擇這個調度器下的進程。

4. 調度相關的系統調用

調度相關的系統調用主要有2類：

1. 與調度策略和進程優先級相關 (就是上面的提到的各種參數，優先級，時間片等等) - 下表中的前8個

2. 與處理器相關 - 下表中的最後3個