Linux进程调度策略分析

Linux系统是抢占式多任务操作系统，是否要将一个进程立刻投入运行（也就是抢占当前进程），完全由该进程的优先级和是否有时间片来决定。但 CFS调度器：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，如果消耗的使用比当前进程小：新程序立刻投入运行，抢占当前进程，否则推迟。

在Linux中，线程是由进程来实现，线程就是轻量级进程，因此线程的调度是按照进程的调度方式来进行调度的，也就是说线程是基本调度单元。

进程提供了两种优先级，一种是普通的进程优先级，第二个是实时优先级。前者适用SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）调度策略，后者可选SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略。任何时候，实时进程的优先级都高于普通进程优先级，实时进程只会被更高级的实时进程抢占，同级实时进程之间是按照FIFO或者RR规则调度。

1. 实时优先级（静态优先级）

实时进程，只有静态优先级，因为内核不会根据休眠等因素对其静态优先级做调整，其范围在1~MAX_RT_PRIO-1间。默认MAX_RT_PRIO配置为100，即默认的实时优先级范围是1~99，数值越高优先级越高。而nice值（-20 — 20），影响的是普通进程优先级。

系统调度时，实时优先级高的进程总是先于优先级低的进程执行（不管他们采用的是FIFO还是RR调度策略）。如果有数个优先级相同的实时进程，那么系统就会按照SCHED_FIFO或SCHED_RR选择进程。假设当前CPU运行的实时进程A的优先级为a，而此时有个优先级为b的实时进程B进入可运行状态，那么只要b>a，系统将中断A的执行，而优先执行B，直到B无法执行（无论A，B为何种实时进程）。

相同优先级的调度策略：

SCHED_FIFO：先入先出调度策略（First in-first out scheduling）。该策略简单的说就是一旦进程占用cpu则一直运行，一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。
SCHED_RR：时间片轮转调度(Round-robin scheduling)。给每个线程增加了一个时间片限制，当时间片用完后，系统将把该线程置于队列末尾，然后运行其他相同优先级的进程，如果没有其他相同优先级的进程，则该进程会继续执行（前提是没有其他更高优先及进程）。高优先级运行期间，低优先级没法抢占（即使时间片用完），只能等到高优先级主动退出。

只有在下述事件之一发生时，实时进程才会被另外一个进程取代。

（1）进程被另外一个具有更高实时优先级的实时进程抢占。

（2）进程执行了阻塞操作并进入睡眠

（3）进程停止（处于TASK_STOPPED 或TASK_TRACED状态）或被杀死。

（4）进程通过调用系统调用sched_yield()，自愿放弃CPU 。

（5）进程基于时间片轮转的实时进程（SCHED_RR），而且用完了它的时间片。

实时线程优先级高于所有普通线程，如果有实时线程处于运行态，则系统调度时一定会选择调用实时线程；正在运行的实时线程只会被拥有更高实时优先级的线程抢占。所以在应用中如果需要将某个线程设置为实时线程，则需要用户自己确保该线程不会处于忙执行而完全占用CPU资源，导致其他普通线程没法获得CPU资源而一直被阻塞得不到执行，并且需要合理给予优先级的值，太高有可能会影响重要系统线程的运行。所有用户态线程默认没有实时优先级，都属于普通线程。

2. 普通进程优先级（非实时、动态优先级，SCHED_OTHER（SCHED_NORMAL））

系统创建线程时，默认的线程是SCHED_OTHER。所以如果我们要改变线程的调度策略的话，可以通过下面的这个函数实现。

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);

普通进程的静态优先级只能是0，但可以通过nice值来改变其优先级。

nice值的范围是-20~19，nice数值越大就使得static_prio越大，最终进程优先级就越低。

系统调度时，还会考虑其他因素，因而会以nice为基础计算出进程动态优先级，根据此来实施调度。因为，不仅要考虑优先级，也要考虑进程的属性。例如如果进程属于交互式进程，那么可以适当的调高它的优先级，使得界面反应地更加迅速，从而使用户得到更好的体验。

进程的时间片就是完全依赖nice值来分配，低nice值的进程拥有更长的时间片。

系统会严格按照动态优先级高低的顺序安排进程执行。动态优先级高的进程进入非运行状态，或者时间片消耗完毕才会轮到动态优先级较低的进程执行。动态优先级的计算主要考虑两个因素：静态优先级，进程的平均睡眠时间。

SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）：该策略是是默认的Linux分时调度（time-sharing scheduling）策略，它是Linux线程默认的调度策略。

其实，普通进程的调度，是CPU根据进程优先级算出时间片，这样并不能一定保证高优先级的进程一定先运行，只不过和优先级低的进程相比，通常优先级较高的进程获得的CPU时间片会更长而已。其实，如果要想保证一个线程运行完在运行另一个线程的话，就要使用多线程的同步技术，信号量，条件变量等方法。而不是绝对依靠优先级的高低，来保证。

3. CFS

linux在2.6.23内核中采用的是“完全公平调度算法”简称CFS，来取代传统的非实时进程的SCHED_NORMAL调度算法。

传统调度策略必须规定一个默认的时间片，但是CFS没有直接分配时间片给进程，而是将处理器的使用比例（权重）给进程，这个比例（权重）根据所有进程的总nice和自身nice值来计算。

如有三个进程，A nice为5，B nice为5，则A权重为1/2，B为1/2。假设总CPU时间为10ms，则A能运行5ms，B也5ms。

另外A能运行5ms不代表A会运行5ms，A有可能执行了1ms后就完成了任务然后就放弃CPU，也有可能一直运行5ms还没能完成任务。

另外这个应得的cpu时间不应太小（假设阈值为1ms），否则会因为切换得不偿失。但是，当进程足够多时候，肯定有很多不同权重的进程获得相同的时间——最低阈值1ms，所以，CFS只是近似完全公平。

CFS允许每个进程运行一段时间，循环轮转，选择运行时间最少的那个进程作为下一个运行进程，即一段时间内运行时间最少的进程拥有高优先级。CFS不再依据nice作为优先级而进行调度，但是依然会用到nice值计算权重。

4. 系统何时会调用schedule()函数

进程从中断，异常，系统调用返回用户态的时候，系统调用 do_fork()函数
定时中断，当前进程的时间片用完， do_timer()函数
进程状态切换的时候，进程终止，进程唤醒等，进程调用sleep() exit()等函数，唤醒进程 wake_up_process()函数
改变进程的调度策略：setscheduler()函数
系统调用礼让：sys_sched_yield()函数

5. 优先级和时间片

优先级，高优先级的进程总是会抢占低优先级的进程执行，无论该低优先级进程的时间片是否已经用完；相同优先级按轮询调度。
时间片，相同优先级的进程A和B，如果A在运行，只有当A的时间片用完或者A主动休眠放弃CPU，B才有机会被执行。
只有SCHED_RR和SCHED_NORMAL调度有时间片的概念

6. 总结

Linux 标准内核实现两个调度类：采用 CFS 调度算法的默认调度类和实时调度类
Linux的调度策略区分实时进程和普通进程，实时进程的调度策略是SCHED_FIFO和SCHED_RR，普通的非实时进程的调度策略是SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）。
CFS：取代了SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）， CFS 不采用严格规则来为一个优先级分配某个长度的时间片，而是为每个进程分配一定比例的 CPU 处理时间（权重）进行调度
实时调度类：SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略，静态优先级。

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