Linux内核初探 之 进程(三) —— 进程调度算法

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一、基本概念

1. 抢占
   • Linux提供抢占式多任务，基于时间片和优先级对进程进行强制挂起
   • 非抢占的系统需要进程自己让步(yielding)
2. 进程类型
   • IO消耗型
     • 经常处于可运行态，等待IO操作过程会阻塞
     • 提高调度频率，缩短运行时间
   • CPU消耗型
     • cpu时间用于计算
     • 降低调度频率，延长运行时间
   • Linux优先保证响应性能，倾向于优化IO消耗型

3. 进程优先级

   • 内核的优先级

     • 静态优先级：

       static_prio = MAX_RT_PRIO + nice + 20  [100, 139]
       

     • 实时优先级 —— 值越大优先级越高

       rt_prio = 99(High) ~ 0(Low)    
       

     • 动态优先级 —— 值越小优先级越高

       • rt

         prio = MAX_RT_PRIO - 1 - rt_prio    [0, 99]    用于实时进程
         

       • 普通

         prio = static_prio            [100, 139] 用于普通进程
         

     • normal优先级

       normal_prio = MAX_PRIO - 20        [120]    默认进程优先级，nice = 0
       

   • 常量

     MAX_RT_PRIO = 100
     MAX_PRIO = 140
     nice = [-20, 19] 
     

   • 关系图

     (High)    0  1 ...    98  99  100 101    ...         120 ...        138 139  (Low)
      |__|_____________|___|___|___|____________|______________|___|
     

       (High)    99 98 ...     1   0  100 101    ...         120 ...        138 139  (Low)
        |__|_____________|___|   |___|____________|______________|___|    
            rt_prio                 static_prio    

                                      -20 -19    ...          0 ...             18  19  
                                  |___|____________|______________|___|    
                                                 nice

                                                 120
                                                  |
                                             normal_prio

           RT RT ...         RT  RT  0   1 ...          20 ...        38   39  (Low)
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1. 时间片
   • IO消耗型需要短时间片提高系统响应，CPU需要长时间片减小切换消耗以及提高cache命中
   • Linux默认时间片较短，且不是直接分配到进程，CFS分配处理器使用比，当新任务的使用比小于当前进程的时候，可以抢占当前任务
     • 比如响应界面输入的处理器时间小于执行复杂计算，则前者可以抢占后者，使用户输入迅速得到响应
   • nice值作为权重调整处理器使用比

二、Linux调度算法

1. 调度器类schedular class
   • schedular class以模块方式提供调度器，可动态添加，按优先级选取
2. 完全公平调度CFS
   • Linux默认SCHED_OTHER策略
3. 按优先级分配时间片的问题
   • 将nice值映射到绝对时间片，nice值差异越大，时间片差异越大。没有按照整个可用时间片的比例分配，导致优先级低的时候，时间片少，进程切换频繁
     • 如nice值-20时间片100ms，20时间片5ms，则即使系统只有两个时间片20的进程，也各只有5ms
     • 往往低优先级(高nice值)需要更长时间片，与策略相反
   • 相对nice值的差异
     • nice值1代表5ms处理器时间
       • 为0和1，时间片为100和95，为19和20，时间片为10和5
     • nice值加减1的效果取决于初始值
   • 系统定时器决定了
     • 时间片必需是定时器节拍的整数倍
     • 两个时间片之间的差异
     • 时间片会随定时器节拍改变
4. 完全公平调度CFS
   • 基于概念：将处理器时间平均分配给系统中的所有进程，每个进程的运行时间相当，运行时100%占有处理器
   • 允许每个进程运行一段时间，选择运行最少的运行
   • 按处理器使用比，nice值作为权重
   • 小的调度周期交互性更好，但切换代价高，影响系统吞吐，被限制为1ms以避免切换消耗
   • 进程所获得的处理器时间为其它可运行进程nice值的相对差