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第二章 --进程调度

上一章已经详细的介绍了进程和进程管理的概念，这一章的主题在操作系统能否“完美”的工作方面占有最主要的地位。很明显，根据名字我们就能看出来，就是内核去调度进程的执行。怎样去调度进程？为什么会是那样？好吧，这篇文章就是介绍这些主题的。

1.多任务

现在的操作系统都是多任务的，也就说多个任务（进程）能够并发的执行。注意，这里用到的词是“并发”，而不是并行。并发：是指多个任务轮流占用资源执行，但是它们之间的切换是快速的，看起来就好像是同时执行一样。由于处理器的限制，即使在内存中现在有100个进程，而且都不阻塞，同一时间，它们也只能有一个进程处于运行状态，其余的是就绪状态。

多任务操作系统分为两种：抢占式多任务和非抢占式多任务。由于非抢占式多任务效率极其低下，特别是平衡不了实时进程和普通进程之间的关系，几乎退出了现在的市场。我们平时用的操作系统普遍支持抢占。因为，这样不仅使得计算机的反应加快，更能保证高吞吐量的实现。它的含义也就是字面上的解释，即一个进程在执行的过程中，另一个“有资格”的进程打断它的执行（称之为抢占），变成运行状态的过程。

2.I/O消耗型和处理器消耗性的进程

在操作系统运行的过程中，存在两种表现不同的进程。I/O消耗性表现为，大部分时间是在等待I/O传输的完成，很少一部分时间是在使用CPU，这里最经典的例子就是输入法；处理器消耗性进程是指很少的时间等待I/O的完成，大部分时间是利用CPU的运算，这里经典的例子是图像处理程序和Matlab计算程序。

这样也就会存在一些矛盾的地方。应该给谁多一些的处理器时间，怎样分配是比较合理的。也许你会说，既然处理器消耗性的进程需要更多的处理器时间，应该给他分配更多的CPU，但是，如果不给I/O消耗型的进程分配更多的处理器时间，那么它的反应会相当的慢，举一个夸张的例子，当你向键盘输入一个字符之后，一秒之后才在显示器上显示，这显然是我们不能接受的。相反，计算程序即使是多一秒或者甚至是多十秒完成，我们似乎都是可以接受的，毕竟我们在等待计算完成时已经等了很久。所以，在Linux中实现的策略是给I/O消耗性的进程分配更多的处理器时间。

3.进程优先级

不同的进程是有不同的优先级的，这似乎很正常。因为，在不同的时间里，肯定有进程要求尽快能得到执行的机会。这里的优先级也是分为两种的。

3.1 实时优先级

它的优先级范围从 0 -- 99，数字越大，优先级越高，能尽快得到处理的机会就会越到，而且通常这意味着它也能获得更多的处理器时间。

3.2 nice值

我们可能在程序中见过这样的语句 nice(5); 这里就是给当前进程的优先级计数加上5，注意，这里并不是提高了它的优先级，反而，这样会降低当前进程的优先级。nice值的范围是 -20 -- 19。默认情况下，创建的普通进程优先级为 0 。

4.时间片

其实，在2.6以后的内核中，就不存在时间片的概念了。不过，由于这是Unix中的经典定义，所以，需要解释下。时间片就是由进程的优先级而分配的可用处理器时间。一个进程如果时间片为0，它就必须放弃执行。

在现在的内核中，操作系统利用CFS（完全公平调度算法）算法调度进程的执行，同时为进程分配处理器时间。这里用到的概念是处理器使用比。例如，当一个进程分配了10ms的运行时间，但是它只是执行了5ms，就被其他的进程抢占了，这时，我们说，它用到的使用比是 50%。下面，我们会看到，这里的使用比是怎样在进程调度方面发挥作用的。

5.进程调度策略

这里，我们首先给出两个不同种类的普通进程。一个是I/O消耗性的进程--文字处理程序；另一个是处理器消耗性的进程--视频编码程序。假如现在的系统中，这是仅有的两个进程，为了方便起见，它们用于相同的 nice 值，所以，它们理所当然的被分配了相同的处理器使用比。

由于文字处理程序大部分时间是在等待用户的输入，所以，分配给他的处理器时间它用到的少之又少（相比视频编码程序）。所以，它剩余的处理器使用比就会很多。相反，视频编码程序剩余的处理器使用比就会很少。

这时，我们给出调度的条件，如果消耗的使用比比当前执行进程的小，那么新的进程立即投入运行，抢占当前的进程。当然，我们同样需要考虑优先级的原则。优先级低的进程肯定不能完成抢占，除非是当前进程阻塞或者是资源放弃处理器。

6.CFS调度器

CFS调度器是现在Linux系统中常用的调度器类。它利用当前系统中进程的个数（可运行状态）和优先级分配给每个进程不同的处理器使用比。

当然，如果系统中进程的个数区域无限，那么进程获得的处理器时间将是一个预先设定的极值，一般是 1ms。

7.Linux调度的实现

7.1 时间记账

首先，我们需要看一个结构--调度器实体

struct sched_entity {
struct load_weight load; /* for load-balancing */
struct rb_node run_node;
struct list_head group_node;
unsigned int on_rq;

u64 exec_start;
u64 sum_exec_runtime;
u64 vruntime;
u64 prev_sum_exec_runtime;

u64 nr_migrations;

#ifdef CONFIG_SCHEDSTATS
struct sched_statistics statistics;
#endif

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
struct sched_entity *parent;
/* rq on which this entity is (to be) queued: */
struct cfs_rq *cfs_rq;
/* rq "owned" by this entity/group: */
struct cfs_rq *my_q;
#endif
};

我们可以看到，调度器实体中存在一个字段--vruntime，这代表的是虚拟时间，也就是新的概念--处理器使用比。在进程描述符内，我们可以找到指向这个实体的指针。

7.2 进程选择

这是最重要的主题之一，这里它的作用是选择一个最合适的调度器类，并从它的运行队列中选择一个最合适的进程。这个最合适的进程当然是 vruntime 值最小的那个进程。为了能更深刻的理解，这里给出一段代码：

/*
* Pick up the highest-prio task:
*/
static inline struct task_struct *
pick_next_task(struct rq *rq)
{
const struct sched_class *class;
struct task_struct *p;

/*
* Optimization: we know that if all tasks are in
* the fair class we can call that function directly:
*/
if (likely(rq->nr_running == rq->cfs.nr_running)) { //如果nr_running==cfs.nr_running，则说明当前rq队列中是没有rt任务的，
//rt任务不在cfs队列中，它的优先级的设置和cfs不一样。
p = fair_sched_class.pick_next_task(rq); //在cfs队列中挑选即将被切换进去的进程，核心函数，
if (likely(p))
return p;
}

for_each_class(class) {
p = class->pick_next_task(rq);
if (p)
return p;
}

BUG(); /* the idle class will always have a runnable task */
}

这里我们可以看到内核中对挑选调度器类的时候做了一些优化。由于系统中几乎都是普通的进程，所以，一旦进程的总数等于CFS可运行队列中进程的总数时，那么可以直接调用CFS调度器。如果不是，那么选择优先级最高的那个调度器类。每个调度器都定义了自己的 pick_next_task() 函数，且拥有自己的可运行队列，所以，总是可以选出最合适的需要调度的进程。

7.3 通知调度

当需要执行进程调度的时候，操作系统是怎样知道的呢？难道需要内核执行函数一个一个进程的“询问”吗？那样显然是太低效了，所以，为了方便通知内核需要实现调度，在进程描述符中有这样一个字段 -- need_resched ，一旦这个标志被设置，那么内核就知道此刻需要进程调度了。关于，什么时候实现检查这个标志的操作，在下文中会有详细的介绍。

8.抢占的实现

抢占也是分为两种的：

用户抢占和内核抢占

用户抢占：内核在返回用户空间的时候，如果 need_resched 标志被设置，会导致 schedule() 被调用，此时就会发生用户抢占。内核在中断返回或者是系统调用返回时，会检查标志是否被设置，如果被设置，那么执行进程切换，如果没有，则继续执行原先的那个进程。

所以，用户抢占发生在以下两种情况下：

从系统调用返回用户空间中

从中断处理程序返回用户空间中

内核抢占：Linux支持内核抢占，即进程在内核中执行的时候，也是可以被抢占的，当然，这也是需要有条件保证的，那就是，此时，抢占是安全的。这里唯一需要保证的是进程此时没有持有锁。

为了支持内核抢占，每个进程的 thread_info 字段中增加了 preempt_count 字段，这个标志代表的是进程持有锁的个数，初始时，这个值为0，一旦进程持有锁，那么计数加1，再次拥有其他的锁时，继续增加这个数值。当进程中的 preempt_count 和 need_resched，字段都被设置时，此时可以实现内核抢占。

内核抢占发生的时机如下：

中断处理程序正在执行（处于中断上下文中），且返回内核空间之前

内核中的任务阻塞

内核中进程显示的调用 schedule() 函数

9.实时进程的调度策略

实时进程，其实就是指那些优先级比较高的进程。它们的调度策略也有两种，分别是 SCHED_FIFO,SCHED_RR

SCHED_FIFO：如果实时进程使用这种方式执行，那么当前的实时进程将会一直执行，除非是它自己显示的放弃处理器或者是被阻塞，或者是被优先级更高的进程抢占。

SCHED_RR：它被称为是轮转调度算法，实时进程采用这种方法调度时，它有一个执行时间，当用完这个时间后，它就被挂起，接着选择下一个进程运行，依次轮转运行队列中的进程，直到所有的进程都执行完毕。

这两种调度算法实现的都是静态优先级，内核不为它们计算动态优先级，这样能够保证给定优先级的进程能够抢占比它优先级低的进程。

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