一篇文章让你了解Linux进程调度器

2020-03-11

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1、背景知识

1.1 什么是调度器

通常来说，操作系统是应用程序和可用资源之间的媒介。

典型的资源有内存和物理设备。但是CPU也可以认为是一个资源，调度器可以临时分配一个任务在上面执行（单位是时间片）。调度器使得我们同时执行多个程序成为可能，因此可以与具有各种需求的用户共享CPU。

内核必须提供一种方法, 在各个进程之间尽可能公平地共享CPU时间, 而同时又要考虑不同的任务优先级.

调度器的一个重要目标是有效地分配 CPU 时间片，同时提供很好的用户体验。调度器还需要面对一些互相冲突的目标，例如既要为关键实时任务最小化响应时间, 又要最大限度地提高 CPU 的总体利用率.

调度器的一般原理是, 按所需分配的计算能力, 向系统中每个进程提供最大的公正性, 或者从另外一个角度上说, 他试图确保没有进程被亏待.

1.2 调度策略

传统的Unix操作系统的都奥杜算法必须实现几个互相冲突的目标:

进程响应时间尽可能快
后台作业的吞吐量尽可能高
尽可能避免进程的饥饿现象
低优先级和高优先级进程的需要尽可能调和等等

调度策略(scheduling policy)的任务就是决定什么时候以怎么样的方式选择一个新进程占用CPU运行.

传统操作系统的调度基于分时(time sharing)技术: 多个进程以”时间多路服用”方式运行, 因为CPU的时间被分成”片(slice)”, 给每个可运行进程分配一片CPU时间片, 当然单处理器在任何给定的时刻只能运行一个进程.

如果当前可运行进程的时限(quantum)到期时(即时间片用尽), 而该进程还没有运行完毕, 进程切换就可以发生.

分时依赖于定时中断, 因此对进程是透明的, 不需要在承租中插入额外的代码来保证CPU分时.

调度策略也是根据进程的优先级对他们进行分类. 有时用复杂的算法求出进程当前的优先级, 但最后的结果是相同的: 每个进程都与一个值(优先级)相关联, 这个值表示把进程如何适当地分配给CPU.

在linux中, 进程的优先级是动态的. 调度程序跟踪进程正在做什么, 并周期性的调整他们的优先级. 在这种方式下, 在较长的时间间隔内没有任何使用CPU的进程, 通过动态地增加他们的优先级来提升他们. 相应地, 对于已经在CPU上运行了较长时间的进程, 通过减少他们的优先级来处罚他们.

1.3 进程饥饿

进程饥饿，即为Starvation，指当等待时间给进程推进和响应带来明显影响称为进程饥饿。当饥饿到一定程度的进程在等待到即使完成也无实际意义的时候称为饥饿死亡。

产生饥饿的主要原因是

在一个动态系统中，对于每类系统资源，操作系统需要确定一个分配策略，当多个进程同时申请某类资源时，由分配策略确定资源分配给进程的次序。

有时资源分配策略可能是不公平的，即不能保证等待时间上界的存在。在这种情况下，即使系统没有发生死锁，某些进程也可能会长时间等待．当等待时间给进程推进和响应带来明显影响时，称发生了进程饥饿，当饥饿到一定程度的进程所赋予的任务即使完成也不再具有实际意义时称该进程被饿死。

举个例子，当有多个进程需要打印文件时，如果系统分配打印机的策略是最短文件优先，那么长文件的打印任务将由于短文件的源源不断到来而被无限期推迟，导致最终的饥饿甚至饿死。

2、linux进程的分类

2.1 进程的分类

当涉及有关调度的问题时, 传统上把进程分类为”I/O受限(I/O-dound)”或”CPU受限(CPU-bound)”.

另外一种分类法把进程区分为三类:

注意

前面的两类分类方法在一定程序上相互独立

例如, 一个批处理进程很有可能是I/O受限的(如数据库服务器), 也可能是CPU受限的(比如图形绘制程序)

2.2 实时进程与普通进程

在linux中, 调度算法可以明确的确认所有实时进程的身份, 但是没办法区分交互式程序和批处理程序(统称为普通进程), linux2.6的调度程序实现了基于进程过去行为的启发式算法, 以确定进程应该被当做交互式进程还是批处理进程. 当然与批处理进程相比, 调度程序有偏爱交互式进程的倾向

根据进程的不同分类Linux采用不同的调度策略.

对于实时进程，采用FIFO或者Round Robin的调度策略.

对于普通进程，则需要区分交互式和批处理式的不同。传统Linux调度器提高交互式应用的优先级，使得它们能更快地被调度。而CFS和RSDL等新的调度器的核心思想是”完全公平”。这个设计理念不仅大大简化了调度器的代码复杂度，还对各种调度需求的提供了更完美的支持.

注意Linux通过将进程和线程调度视为一个，同时包含二者。进程可以看做是单个线程，但是进程可以包含共享一定资源（代码和/或数据）的多个线程。因此进程调度也包含了线程调度的功能.

linux进程的调度算法其实经过了很多次的演变, 但是其演变主要是针对与普通进程的, 因为前面我们提到过根据进程的不同分类Linux采用不同的调度策略.实时进程和普通进程采用了不同的调度策略, 更一般的普通进程还需要启发式的识别批处理进程和交互式进程.

实时进程的调度策略比较简单, 因为实时进程值只要求尽可能快的被响应, 基于优先级, 每个进程根据它重要程度的不同被赋予不同的优先级，调度器在每次调度时, 总选择优先级最高的进程开始执行. 低优先级不可能抢占高优先级, 因此FIFO或者Round Robin的调度策略即可满足实时进程调度的需求.

但是普通进程的调度策略就比较麻烦了, 因为普通进程不能简单的只看优先级, 必须公平的占有CPU, 否则很容易出现进程饥饿, 这种情况下用户会感觉操作系统很卡, 响应总是很慢.

此外如何进程中如果存在实时进程, 则实时进程总是在普通进程之前被调度

3、linux调度器的演变

一开始的调度器是复杂度为O(n)O(n)的始调度算法(实际上每次会遍历所有任务，所以复杂度为O(n)), 这个算法的缺点是当内核中有很多任务时，调度器本身就会耗费不少时间，所以，从linux2.5开始引入赫赫有名的O(1)O(1)调度器

然而，linux是集全球很多程序员的聪明才智而发展起来的超级内核，没有最好，只有更好，在O(1)O(1)调度器风光了没几天就又被另一个更优秀的调度器取代了，它就是CFS调度器Completely Fair Scheduler. 这个也是在2.6内核中引入的，具体为2.6.23，即从此版本开始，内核使用CFS作为它的默认调度器，O(1)O(1)调度器被抛弃了, 其实CFS的发展也是经历了很多阶段，最早期的楼梯算法(SD), 后来逐步对SD算法进行改进出RSDL(Rotating Staircase Deadline Scheduler), 这个算法已经是”完全公平”的雏形了，直至CFS是最终被内核采纳的调度器, 它从RSDL/SD中吸取了完全公平的思想，不再跟踪进程的睡眠时间，也不再企图区分交互式进程。它将所有的进程都统一对待，这就是公平的含义。CFS的算法和实现都相当简单，众多的测试表明其性能也非常优越。

4、Linux的调度器设计

4.1 linux进程调度器的框架

2个调度器

可以用两种方法来激活调度

一种是直接的, 比如进程打算睡眠或出于其他原因放弃CPU
另一种是通过周期性的机制, 以固定的频率运行, 不时的检测是否有必要

因此当前linux的调度程序由两个调度器组成：主调度器，周期性调度器(两者又统称为通用调度器(generic scheduler)或核心调度器(core scheduler))

并且每个调度器包括两个内容：调度框架(其实质就是两个函数框架)及调度器类

6种调度策略

linux内核目前实现了6中调度策略(即调度算法), 用于对不同类型的进程进行调度, 或者支持某些特殊的功能

比如SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH调度普通的非实时进程, SCHED_FIFO和SCHED_RR和SCHED_DEADLINE则采用不同的调度策略调度实时进程, SCHED_IDLE则在系统空闲时调用idle进程.

idle的运行时机

idle 进程优先级为MAX_PRIO，即最低优先级。

早先版本中，idle是参与调度的，所以将其优先级设为最低，当没有其他进程可以运行时，才会调度执行 idle

而目前的版本中idle并不在运行队列中参与调度，而是在cpu全局运行队列rq中含idle指针，指向idle进程, 在调度器发现运行队列为空的时候运行, 调入运行

linux内核实现的6种调度策略, 前面三种策略使用的是cfs调度器类，后面两种使用rt调度器类, 最后一个使用DL调度器类

5个调度器类

而依据其调度策略的不同实现了5个调度器类, 一个调度器类可以用一种种或者多种调度策略调度某一类进程, 也可以用于特殊情况或者调度特殊功能的进程.

其所属进程的优先级顺序为

stop_sched_class -> dl_sched_class -> rt_sched_class -> fair_sched_class -> idle_sched_class

3个调度实体

调度器不限于调度进程, 还可以调度更大的实体, 比如实现组调度: 可用的CPUI时间首先在一半的进程组(比如, 所有进程按照所有者分组)之间分配, 接下来分配的时间再在组内进行二次分配.

这种一般性要求调度器不直接操作进程, 而是处理可调度实体, 因此需要一个通用的数据结构描述这个调度实体,即seched_entity结构, 其实际上就代表了一个调度对象，可以为一个进程，也可以为一个进程组.

linux中针对当前可调度的实时和非实时进程, 定义了类型为seched_entity的3个调度实体

调度器类的就绪队列

另外，对于调度框架及调度器类，它们都有自己管理的运行队列，调度框架只识别rq（其实它也不能算是运行队列），而对于cfs调度器类它的运行队列则是cfs_rq（内部使用红黑树组织调度实体），实时rt的运行队列则为rt_rq（内部使用优先级bitmap+双向链表组织调度实体）, 此外内核对新增的dl实时调度策略也提供了运行队列dl_rq

调度器整体框架

本质上, 通用调度器(核心调度器)是一个分配器,与其他两个组件交互.

调度器用于判断接下来运行哪个进程，内核支持不同的调度策略(完全公平调度, 实时调度, 在无事可做的时候调度空闲进程,即0号进程也叫swApper进程,idle进程), 调度类使得能够以模块化的方法实现这些侧露额, 即一个类的代码不需要与其他类的代码交互
当调度器被调用时, 他会查询调度器类, 得知接下来运行哪个进程，在选中将要运行的进程之后, 必须执行底层的任务切换，这需要与CPU的紧密交互. 每个进程刚好属于某一调度类, 各个调度类负责管理所属的进程. 通用调度器自身不涉及进程管理, 其工作都委托给调度器类.

每个进程都属于某个调度器类(由字段task_struct->sched_class标识), 由调度器类采用进程对应的调度策略调度(由task_struct->policy )进行调度, task_struct也存储了其对应的调度实体标识

linux实现了6种调度策略, 依据其调度策略的不同实现了5个调度器类, 一个调度器类可以用一种或者多种调度策略调度某一类进程, 也可以用于特殊情况或者调度特殊功能的进程.

它们的关系如下图

5种调度器类为什么只有3种调度实体

正常来说一个调度器类应该对应一类调度实体, 但是5种调度器类却只有了3种调度实体?

这是因为调度实体本质是一个可以被调度的对象, 要么是一个进程(linux中线程本质上也是进程), 要么是一个进程组, 只有dl_sched_class, rt_sched_class调度的实时进程(组)以及fair_sched_class调度的非实时进程(组)是可以被调度的实体对象, 而stop_sched_class和idle_sched_class

为什么采用EDF实时调度需要单独的调度器类, 调度策略和调度实体

linux针对实时进程实现了Roound-Robin, FIFO和Earliest-Deadline-First(EDF)算法, 但是为什么SCHED_RR和SCHED_FIFO两种调度算法都用rt_sched_class调度类和sched_rt_entity调度实体描述, 而EDF算法却需要单独用rt_sched_class调度类和sched_dl_entity调度实体描述

为什么采用EDF实时调度不用rt_sched_class调度类调度, 而是单独实现调度类和调度实体?

4.2 进程的调度

首先，我们需要清楚，什么样的进程会进入调度器进行选择，就是处于TASK_RUNNING状态的进程，而其他状态下的进程都不会进入调度器进行调度。

系统发生调度的时机如下

调用cond_resched()时
显式调用schedule()时
从系统调用或者异常中断返回用户空间时
从中断上下文返回用户空间时

当开启内核抢占(默认开启)时，会多出几个调度时机，如下

在系统调用或者异常中断上下文中调用preempt_enable()时(多次调用preempt_enable()时，系统只会在最后一次调用时会调度)
在中断上下文中，从中断处理函数返回到可抢占的上下文时(这里是中断下半部，中断上半部实际上会关中断，而新的中断只会被登记，由于上半部处理很快，上半部处理完成后才会执行新的中断信号，这样就形成了中断可重入)

而在系统启动调度器初始化时会初始化一个调度定时器，调度定时器每隔一定时间执行一个中断，在中断会对当前运行进程运行时间进行更新，如果进程需要被调度，在调度定时器中断中会设置一个调度标志位，之后从定时器中断返回，因为上面已经提到从中断上下文返回时是有调度时机的，在内核源码的汇编代码中所有中断返回处理都必须去判断调度标志位是否设置，如设置则执行schedule()进行调度。

而我们知道实时进程和普通进程是共存的，调度器是怎么协调它们之间的调度的呢，其实很简单，每次调度时，会先在实时进程运行队列中查看是否有可运行的实时进程，如果没有，再去普通进程运行队列找下一个可运行的普通进程，如果也没有，则调度器会使用idle进程进行运行。

系统并不是每时每刻都允许调度的发生，当处于硬中断期间的时候，调度是被系统禁止的，之后硬中断过后才重新允许调度。而对于异常，系统并不会禁止调度，也就是在异常上下文中，系统是有可能发生调度的。

4.3 抢占标识TIF_NEED_RESCHED

内核在检查need_resched标识TIF_NEED_RESCHED的值判断是否需要抢占当前进程, 内核在thread_info的flag中设置了一个标识来标志进程是否需要重新调度, 即重新调度need_resched标识TIF_NEED_RESCHED, 内核在即将返回用户空间时会检查标识TIF_NEED_RESCHED标志进程是否需要重新调度

系统中每个进程都有一个特定于体系结构的struct thread_info结构, 用户层程序被调度的时候会检查struct thread_info中的need_resched标识TLF_NEED_RESCHED标识来检查自己是否需要被重新调度.

如果内核检查进程的抢占标识被设置, 则会在一个关键的时刻, 调用调度器来完成调度和抢占的工作

4.4 内核抢占和用户抢占

而根据进程抢占发生的时机, 抢占可以分为内核抢占和用户抢占, 内核抢占就是指一个在内核态运行的进程, 可能在执行内核函数期间被另一个进程取

一般来说，用户抢占发生几下情况：

从系统调用返回用户空间；
从中断(异常)处理程序返回用户空间

内核抢占发生的时机，一般发生在：

当从中断处理程序正在执行，且返回内核空间之前。当一个中断处理例程退出，在返回到内核态时(kernel-space)。这是隐式的调用schedule()函数，当前任务没有主动放弃CPU使用权，而是被剥夺了CPU使用权。
当内核代码再一次具有可抢占性的时候，如解锁（spin_unlock_bh）及使能软中断(local_bh_enable)等, 此时当kernel code从不可抢占状态变为可抢占状态时(preemptible again)。也就是preempt_count从正整数变为0时。这也是隐式的调用schedule()函数
如果内核中的任务显式的调用schedule(), 任务主动放弃CPU使用权
如果内核中的任务阻塞(这同样也会导致调用schedule()), 导致需要调用schedule()函数。任务主动放弃CPU使用权

内核抢占采用同抢占标识的类似方法被实现, linux内核在thread_info结构中添加了一个自旋锁标识preempt_count, 称为抢占计数器(preemption counter).

struct thread_info

{

/* ...... */

int preempt_count; /* 0 => preemptable, <0 => BUG */

/* ...... */

}

内核自然也提供了一些函数或者宏, 用来开启, 关闭以及检测抢占计数器preempt_coun的值, 这些通用的函数定义在include/asm-generic/preempt.h, 而某些架构也定义了自己的接口，比如x86架构/arch/x86/include/asm/preempt.h

4.5 周期性调度器scheduler_tick

周期调度器

周期性调度器scheduler_tick由内核时钟中断周期性的触发, 周期性调度器以固定的频率激活负责当前进程调度类的周期性调度方法, 以保证系统的并发性, 周期性调度器通过调用进程所属调度器类的task_tick操作完成周期性调度的通知和配置工作, 通过resched_curr函数(早期的resched_task函数)设置抢占标识TIF_NEED_RESCHED来通知内核在必要的时间由主调度函数完成真正的调度工作, 此种做法称之为延迟调度策略

4.6 主调度器schedule

主调度器

schedule就是主调度器的工作函数, 在内核中的许多地方, 如果要将CPU分配给与当前活动进程不同的另一个进程, 都会直接调用主调度器函数schedule或者其子函数__schedule.

__schedule完成抢占

完成一些必要的检查, 并设置进程状态, 处理进程所在的就绪队列
调度全局的pick_next_task选择抢占的进程，如果当前cpu上所有的进程都是cfs调度的普通非实时进程, 则直接用cfs调度, 如果无程序可调度则调度idle进程，否则从优先级最高的调度器类sched_class_highest(目前是stop_sched_class)开始依次遍历所有调度器类的pick_next_task函数, 选择最优的那个进程执行
context_switch完成进程上下文切换，调用switch_mm(), 把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中，调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息

4.7 进程上下文切换context_switch

context_switch流程

context_switch其实是一个分配器, 他会调用所需的特定体系结构的方法

调用switch_mm(), 把虚拟内存从一个进程映射切换到新进程中，switch_mm更换通过task_struct->mm描述的内存管理上下文, 该工作的细节取决于处理器, 主要包括加载页表, 刷出地址转换后备缓冲器(部分或者全部), 向内存管理单元(MMU)提供新的信息
调用switch_to(),从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。这包括保存、恢复栈信息和寄存器信息，switch_to切换处理器寄存器的呢内容和内核栈(虚拟地址空间的用户部分已经通过switch_mm变更, 其中也包括了用户状态下的栈, 因此switch_to不需要变更用户栈, 只需变更内核栈), 此段代码严重依赖于体系结构, 且代码通常都是用汇编语言编写.

为什么switch_to需要3个参数

在新进程被选中执行时, 内核恢复到进程被切换出去的点继续执行, 此时内核只知道谁之前将新进程抢占了, 但是却不知道新进程再次执行是抢占了谁, 因此底层的进程切换机制必须将此前执行的进程(即新进程抢占的那个进程)提供给context_switch. 由于控制流会回到函数的该中间, 因此无法通过普通函数的返回值来完成. 因此使用了一个3个参数, 但是逻辑效果是相同的, 仿佛是switch_to是带有两个参数的函数, 而且返回了一个指向此前运行的进程的指针.