Linux進程調(diào)度的原理解析

進程調(diào)度依據(jù)
　　調(diào)度程序運行時，要在所有可運行狀態(tài)的進程中選擇最值得運行的進程投入運行。選擇進程的依據(jù)是什么呢？在每個進程的task_strUCt結(jié)構(gòu)中有以下四項：policy、priority、counter、rt_priority。這四項是選擇進程的依據(jù)。 其中，policy是進程的調(diào)度策略，用來區(qū)分實時進程和普通進程，實時進程優(yōu)先于普通進程運行；priority是進程（包括實時和普通）的靜態(tài)優(yōu)先級；counter是進程剩余的時間片，它的起始值就是priority的值；由于counter在后面計算一個處于可運行狀態(tài)的進程值得運行的程度goodness時起重要作用，因此，counter也可以看作是進程的動態(tài)優(yōu)先級。rt_priority是實時進程特有的，用于實時進程間的選擇。
　　Linux用函數(shù)goodness（）來衡量一個處于可運行狀態(tài)的進程值得運行的程度。該函數(shù)綜合了以上提到的四項，還結(jié)合了一些其他的因素，給每個處于可運行狀態(tài)的進程賦予一個權(quán)值（weight），調(diào)度程序以這個權(quán)值作為選擇進程的唯一依據(jù)。關(guān)于goodness（）的情況在后面將會詳細分析。
　　進程調(diào)度策略
　　調(diào)度程序運行時，要在所有處于可運行狀態(tài)的進程之中選擇最值得運行的進程投入運行。選擇進程的依據(jù)是什么呢？在每個進程的task_struct 結(jié)構(gòu)中有這么四項：
　　policy， priority ， counter， rt_priority
　　這四項就是調(diào)度程序選擇進程的依據(jù)。其中，policy是進程的調(diào)度策略，用來區(qū)分兩種進程-實時和普通；priority是進程（實時和普通）的優(yōu)先級；counter 是進程剩余的時間片，它的大小完全由priority決定;rt_priority是實時優(yōu)先級，這是實時進程所特有的，用于實時進程間的選擇。
　　首先，Linux 根據(jù)policy從整體上區(qū)分實時進程和普通進程，因為實時進程和普通進程度調(diào)度是不同的，它們兩者之間，實時進程應(yīng)該先于普通進程而運行，然后，對于同一類型的不同進程，采用不同的標準來選擇進程：
　　對于普通進程，Linux采用動態(tài)優(yōu)先調(diào)度，選擇進程的依據(jù)就是進程counter的大小。進程創(chuàng)建時，優(yōu)先級priority被賦一個初值，一般為0～70之間的數(shù)字，這個數(shù)字同時也是計數(shù)器counter的初值，就是說進程創(chuàng)建時兩者是相等的。字面上看，priority是\“優(yōu)先級\”、counter是\“計數(shù)器\”的意思，然而實際上，它們表達的是同一個意思-進程的\“時間片\”。Priority代表分配給該進程的時間片，counter表示該進程剩余的時間片。在進程運行過程中，counter不斷減少，而priority保持不變，以便在counter變?yōu)?的時候（該進程用完了所分配的時間片）對counter重新賦值。當一個普通進程的時間片用完以后，并不馬上用priority對counter進行賦值，只有所有處于可運行狀態(tài)的普通進程的時間片（p-》counter==0）都用完了以后，才用priority對counter重新賦值，這個普通進程才有了再次被調(diào)度的機會。這說明，普通進程運行過程中，counter的減小給了其它進程得以運行的機會，直至counter減為0時才完全放棄對CPU的使用，這就相對于優(yōu)先級在動態(tài)變化，所以稱之為動態(tài)優(yōu)先調(diào)度。至于時間片這個概念，和其他不同操作系統(tǒng)一樣的，Linux的時間單位也是\“時鐘滴答\”，只是不同操作系統(tǒng)對一個時鐘滴答的定義不同而已（Linux為10ms）。進程的時間片就是指多少個時鐘滴答，比如，若priority為20，則分配給該進程的時間片就為20個時鐘滴答，也就是20*10ms=200ms。Linux中某個進程的調(diào)度策略（policy）、優(yōu)先級（priority）等可以作為參數(shù)由用戶自己決定，具有相當?shù)撵`活性。內(nèi)核創(chuàng)建新進程時分配給進程的時間片缺省為200ms（更準確的，應(yīng)為210ms），用戶可以通過系統(tǒng)調(diào)用改變它。
　　對于實時進程，Linux采用了兩種調(diào)度策略，即FIFO（先來先服務(wù)調(diào)度）和RR（時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度）。因為實時進程具有一定程度的緊迫性，所以衡量一個實時進程是否應(yīng)該運行，Linux采用了一個比較固定的標準。實時進程的counter只是用來表示該進程的剩余時間片，并不作為衡量它是否值得運行的標準。實時進程的counter只是用來表示該進程的剩余時間片，并不作為衡量它是否值得運行的標準，這和普通進程是有區(qū)別的。上面已經(jīng)看到，每個進程有兩個優(yōu)先級，實時優(yōu)先級就是用來衡量實時進程是否值得運行的。
　　這一切看來比較麻煩，但實際上Linux中的實現(xiàn)相當簡單。Linux用函數(shù)goodness（）來衡量一個處于可運行狀態(tài)的進程值得運行的程度。該函數(shù)綜合了上面提到的各個方面，給每個處于可運行狀態(tài)的進程賦予一個權(quán)值（weight），調(diào)度程序以這個權(quán)值作為選擇進程的唯一依據(jù)。
　　Linux根據(jù)policy的值將進程總體上分為實時進程和普通進程，提供了三種調(diào)度算法：一種傳統(tǒng)的Unix調(diào)度程序和兩個由POSIX.1b（原名為POSIX.4）操作系統(tǒng)標準所規(guī)定的\“實時\”調(diào)度程序。但這種實時只是軟實時，不滿足諸如中斷等待時間等硬實時要求，只是保證了當實時進程需要時一定只把CPU分配給實時進程。
　　非實時進程有兩種優(yōu)先級，一種是靜態(tài)優(yōu)先級，另一種是動態(tài)優(yōu)先級。實時進程又增加了第三種優(yōu)先級，實時優(yōu)先級。優(yōu)先級是一些簡單的整數(shù)，為了決定應(yīng)該允許哪一個進程使用CPU的資源，用優(yōu)先級代表相對權(quán)值-優(yōu)先級越高，它得到CPU時間的機會也就越大。
　　靜態(tài)優(yōu)先級（priority）-不隨時間而改變，只能由用戶進行修改。它指明了在被迫和其他進程競爭CPU之前，該進程所應(yīng)該被允許的時間片的最大值（但很可能的，在該時間片耗盡之前，進程就被迫交出了CPU）。
　　動態(tài)優(yōu)先級（counter）-只要進程擁有CPU，它就隨著時間不斷減??；當它小于0時，標記進程重新調(diào)度。它指明了在這個時間片中所剩余的時間量。
　　實時優(yōu)先級（rt_priority）-指明這個進程自動把CPU交給哪一個其他進程；較高權(quán)值的進程總是優(yōu)先于較低權(quán)值的進程。如果一個進程不是實時進程，其優(yōu)先級就是0，所以實時進程總是優(yōu)先于非實時進程的（但實際上，實時進程也會主動放棄CPU）。
　　當policy分別為以下值時：
　　1） SCHED_OTHER：這是普通的用戶進程，進程的缺省類型，采用動態(tài)優(yōu)先調(diào)度策略，選擇進程的依據(jù)主要是根據(jù)進程goodness值的大小。這種進程在運行時，可以被高goodness值的進程搶先。
　　2） SCHED_FIFO：這是一種實時進程，遵守POSIX1.b標準的FIFO（先入先出）調(diào)度規(guī)則。它會一直運行，直到有一個進程因I/O阻塞，或者主動釋放CPU，或者是CPU被另一個具有更高rt_priority的實時進程搶先。在Linux實現(xiàn)中，SCHED_FIFO進程仍然擁有時間片-只有當時間片用完時它們才被迫釋放CPU。因此，如同POSIX1.b一樣，這樣的進程就象沒有時間片（不是采用分時）一樣運行。Linux中進程仍然保持對其時間片的記錄（不修改counter）主要是為了實現(xiàn)的方便，同時避免在調(diào)度代碼的關(guān)鍵路徑上出現(xiàn)條件判斷語句 if （?。╟urrent-》policy&SCHED_FIFO））{。..}-要知道，其他大量非FIFO進程都需要記錄時間片，這種多余的檢測只會浪費CPU資源。（一種優(yōu)化措施，不該將執(zhí)行時間占10%的代碼的運行時間減少到50%；而是將執(zhí)行時間占90%的代碼的運行時間減少到95%。0.9+0.1*0.5=0.95》0.1+0.9*0.9=0.91）
　　3） SCHED_RR：這也是一種實時進程，遵守POSIX1.b標準的RR（循環(huán)round-robin）調(diào)度規(guī)則。除了時間片有些不同外，這種策略與SCHED_FIFO類似。當SCHED_RR進程的時間片用完后，就被放到SCHED_FIFO和SCHED_RR隊列的末尾。
　　只要系統(tǒng)中有一個實時進程在運行，則任何SCHED_OTHER進程都不能在任何CPU運行。每個實時進程有一個rt_priority，因此，可以按照rt_priority在所有SCHED_RR進程之間分配CPU。其作用與SCHED_OTHER進程的priority作用一樣。只有root用戶能夠用系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler，來改變當前進程的類型（sys_nice，sys_setpriority）。
　　此外，內(nèi)核還定義了SCHED_YIELD，這并不是一種調(diào)度策略，而是截取調(diào)度策略的一個附加位。如同前面說明的一樣，如果有其他進程需要CPU，它就提示調(diào)度程序釋放CPU。特別要注意的就是這甚至?xí)饘崟r進程把CPU釋放給非實時進程。
　　主要的進程調(diào)度的函數(shù)分析
　　真正執(zhí)行調(diào)度的函數(shù)是schedule（void），它選擇一個最合適的進程執(zhí)行，并且真正進行上下文切換，使得選中的進程得以執(zhí)行。而reschedule_idle（struct task_struct *p）的作用是為進程選擇一個合適的CPU來執(zhí)行，如果它選中了某個CPU，則將該CPU上當前運行進程的need_resched標志置為1，然后向它發(fā)出一個重新調(diào)度的處理機間中斷，使得選中的CPU能夠在中斷處理返回時執(zhí)行schedule函數(shù)，真正調(diào)度進程p在CPU上執(zhí)行。在schedule（）和reschedule_idle（）中調(diào)用了goodness（）函數(shù)。goodness（）函數(shù)用來衡量一個處于可運行狀態(tài)的進程值得運行的程度。此外，在schedule（）函數(shù)中還調(diào)用了schedule_tail（）函數(shù);在reschedule_idle（）函數(shù)中還調(diào)用了reschedule_idle_slow（）。這些函數(shù)的實現(xiàn)對理解SMP的調(diào)度非常重要，下面一一分析這些函數(shù)。先給出每個函數(shù)的主要流程圖，然后給出源代碼，并加注釋。
　　goodness（）函數(shù)分析
　　goodness（）函數(shù)計算一個處于可運行狀態(tài)的進程值得運行的程度。一個任務(wù)的goodness是以下因素的函數(shù)：正在運行的任務(wù)、想要運行的任務(wù)、當前的CPU。goodness返回下面兩類值中的一個：1000以下或者1000以上。1000或者1000以上的值只能賦給\“實時\”進程，從0到999的值只能賦給普通進程。實際上，在單處理器情況下，普通進程的goodness值只使用這個范圍底部的一部分，從0到41。在SMP情況下，SMP模式會優(yōu)先照顧等待同一個處理器的進程。不過，不管是UP還是SMP，實時進程的goodness值的范圍是從1001到1099。
　　goodness（）函數(shù)其實是不會返回-1000的，也不會返回其他負值。由于idle進程的counter值為負，所以如果使用idle進程作為參數(shù)調(diào)用goodness，就會返回負值，但這是不會發(fā)生的。
?