chapter 4 进程调度

4.1 多任务

• 多任务操作系统就是能同时并发的交互执行多个进程的操作系统。

• 多任务系统可以划分为两类：

   - 非抢占式多任务：
          - 进程会一直执行直到自己主动停止运行（这一步骤称为让步）
   - 抢占式多任务：
        - Linux/Unix使用的是抢占式的方式；强制的挂起进程的动作就叫做抢占。进程在被抢占之前能够运行的时间是预先设置好的（也就是进程的时间片）
  

4.2 linux的进程调度

1. O(1)调度器:对大服务器的工作负载很理想,但是缺少交互进程。
2. 反转楼梯最后期限调度算法（RSDL)
3. 完全公平调度算法（CFS）

4.3 策略

• 策略决定调度程序在合适让什么程序运行。

4.3.1 进程分类

• I/O消耗型
  • 进程的大部分时间用来提交I/O请求或者等待I/O请求，经常处于可运行状态但是运行时间很短，等待更多的请求时最后总会阻塞。

• 处理器消耗型

  • 把时间大多用在执行代码上，除非被抢占，否则通常都会不停运行。

• 调度策略通常要在两个矛盾的目标中间寻找平衡：

  • 进程调度迅速（响应时间短）
  • 最大系统利用率（高吞吐量）

• Linux倾向于优先调度I/O消耗型进程

4.3.2 进程优先级

• 调度算法中最基本的一类就是基于优先级的调度：
  • 优先极高的进程先运行；相同优先级的进程按照轮转方式进行调度
• 调度程序总是选择时间片未用尽而且优先级最高的进程运行。
• Linux采用了两种不同的优先级范围：
  • nice值（从-20——+19）：默认值为0；数值越大意味着优先级越低；可以通过 ps-el查看系统进程列表并找到NI标记列对应的优先级
  • 实时优先级（从0——99）：越高的实时优先级级数意味着进程优先级越高
  • 二者互不交互

4.3.3 时间片

• 时间片表示进程在被抢占前所能持续运行的时间。
• 调度策略必须确定一个默认的时间片；
• Linux的CFS调度器并没有直接划分时间片到进程，而是将处理器的使用比例划分给了进程。也就是说，其抢占时机取决于新的可执行程序消耗了多少处理器使用比，如果消耗的使用比比当前进程小，则新进程立即投入运行抢占当前进程。

4.3.4 调度策略的活动

4.4 linux调度算法

4.4.1 调度器类

1. Linux调度器是以模块方式提供的（也就是调度器类），目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法
2. 调度器类允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程；
3. 调度器代码会按照优先级顺序遍历调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度器类胜出，去选择下面要执行的那一个程序；

4.4.2 Unix系统中的进程调度

Unix使用的调度算法是分配绝对的时间片，这样就会引发固定的切换频率，不利于公平性。 而Linux采用的CFS完全摒弃了时间片，分配给进程一个处理器使用比重，保证恒定的公平性和变动的切换频率。

4.4.3 公平调度（CFS）

• CFS的出发点基于一个简单的理念：进程调度的效果应当如同系统具备一个理想中的完美任务处理器。

• CFS的做法如下：

  • 允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程；
  • nice值作为进程获得的处理器运行比的权重 即：绝对的nice值不再影响调度决策，它们的相对值才会影响处理器时间的分配比例——几何加权。
  • 每个进程都按照其权重在全部的可运行进程中所占的比例对应的“时间片”来运行

• 目标延迟：无限小调度周期的近似值

• 最小粒度：每个进程获得的时间片底线，默认为1ms。
• 没有时间片概念但是仍需维持时间记账。

4.5 linux调度的实现

——即CFS调度算法的实现。

四个组成部分：

- 时间记账
- 进程选择
- 调度器入口
- 睡眠和唤醒

4.5.1 时间记账

• 所有的调度器都必须对进程的运行时间做记账；
• CFS使用调度器实体结构来追踪运行记账
• 1.调度器实体结构
  • CFS使用调度器实体结构来追踪进程运行记账：
  • 
• 2.虚拟实时
  • CFS使用了vruntime变量来存放进程的虚拟运行时间，用来表示进程到底运行了多少时间，以及它还应该运行多久。
  • 这个虚拟运行时间是加权的，与定时器节拍无关。
  • 虚拟运行时间以ns为单位。 
  • 相关的函数是updatecurr()，它计算了当前进程的执行时间并存放入变量deltaexec中，然后又将运行时间传递给_updatecurr()；
  • _updatecurr()根据当前可运行进程总数对进行时间进行加权计算，最终将权重值与当前运行进程的vruntime值相加。 

4.5.2 进程选择

• CFS算法核心：选择具有最小vrntime的任务
• 具体做法：利用红黑树rbtree（以节点形式存储数据的二叉树）
• 举例：
  • 选择下一个任务：从根节点中序遍历二叉树，一直到叶子节点（也就是vrntime最小的进程）；
  • 向树中加入进程：在进程变为可执行状态或者通过fork()调用第一次创建进程；
  • 从树中删除进程：发生在进程阻塞或者终止的时候

**Linux中，红黑树被称为rbtree，是一个自平衡二叉搜索树，是一种以树节点形式存储的数据，这些数据会对应一个键值，可以通过这些键值来快速检索节点上的数据，而且检索速度与整个树的节点规模成指数比关系。 **

1. 挑选下一个任务：

   节点键值是可运行进程的虚拟运行时间，进程选择算法是【运行rbtree树种最左边叶子节点所代表的那个进程】，函数是picknextentity() 

2. 向树中加入进程：
   • 发生在进程被唤醒或者通过fork调用第一次创建进程时。
   • 函数enqueueentity()：更新运行时间和其他一些统计数据，然后调用enqueueentity()。 函数enqueue_entity()：进行繁重的插入工作，把数据项真正插入到红黑树中： 

3. 从树中删除进程

   • 删除动作发生在进程堵塞或终止时。

   • 相关函数是dequeueentity()和dequeueentity()： 

4.5.3 调度器入口

1. 进程调度的主要入口点是函数schedule()，定义在kernel/sched.c中；这正是内和其他部分用于调度进程调度器的入口
2. 这一函数最重要的工作就是调用picknextstate()，依次检查每一个调度类，并从最高优先级的调度类中，选择最高优先级进程

4.5.4 睡眠和唤醒

• 进程休眠一定是为了等待一些事件
  • 进程把自己标记成休眠状态，从可执行红黑树中移除；
  • 放入等待队列——由等待某些时间发生的进程组成的链表，内核用wakequeuehead_t来代表等待队列

3. 唤醒操作由函数wake_up()进行

- 它会调用函数try_to _wake_up()将进程设置为TASK_RUNNING状态，调用enqueue_task()将进程放入红黑树中
- 当然，也存在虚假唤醒进程的状态

4.6 抢占和上下文切换

• 上下文切换由定义在kernel/sched.c中的context_switch()函数负责，每当一个新的进程被选出来准备运行的时候，schedule()就会调用该函数：

  • 调用switch_mm()，负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新的进程中；
  • 调用switch_to()，负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态

• Linux系统支持内核抢占

  • 只要没有锁，内核就可以进程抢占；
  • 为了支持抢占，每个进程的threadinfo都加入了preemptcount计数器（初值为0，每当使用锁的时候就加1，释放锁的时候数值减1），当数值为0的时候，内核就可以抢占
• 内核抢占发生在：
  • 中断处理程序正在执行且返回内核空间之前；
  • 内核代码再一次具有可抢占性的时候；
  • 内核中的任务显式地调用schedule函数

参考资料

linux内核设计与实现