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  • Linux 进程调度策略
    2022-03-16 13:41:02

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    进程分类

    进程抢占

    调度算法和调度类

    普通进程的调度

    基础时间片的计算

    动态优先级和平均睡眠时间

    实时进程调度

    同优先级FIFO RR并存


    进程分类

    有两种传统的分类法:

    方法一

    • CPU密集
    • I/O密集

    方法二

    • 交互 (比如记事本)
    • 批处理 (比如后台、编译器进程)
    • 实时

    进程抢占

    进程是可抢占的,在新的进程进入TASK_RUNNING状态,表示可以运行的时候,内核会检查他们的动态优先级。如果比当前的进程优先级高就调用调度器进行调度。

    调度算法和调度类

    SCHED_FIFO
    一个先入先出的实时过程。当调度器将CPU分配给进程时,它会将进程描述符保留在运行队列列表中的当前位置。如果没有其他更高优先级的实时进程可以运行,那么该进程将继续使用CPU,即使其他具有相同优先级的实时进程也可以运行。
    SCHED_RR
    一个实时的时间片轮过程。当调度器将CPU分配给进程时,它会将进程描述符放在运行队列列表的末尾。此策略可确保将CPU时间公平地分配给所有具有相同优先级的SCHED_RR实时进程。
    SCHED_NORMAL
    普通的分时进程。

    普通进程的调度

    基础时间片的计算

    时间片不是每个进程都一样的。是根据静态优先级算出来的。

    优先级越高时间片越长。

    动态优先级和平均睡眠时间

    动态优先级会在静态优先级的基础上根据前一段时间统计的平均睡眠时间进行小幅度调整。

    平均睡眠时间长,内核认为这个进程可能是交互式进程。会抬高它的动态优先级。

    实际的调度是按照动态优先级调度的。

    实时进程调度

    每个实时进程都与实时优先级相关联,其值范围从1(最高优先级)到99(最低优先级)。调度程序总是倾向于高优先级的可运行进程,而不是低优先级的进程;换句话说,是实时的进程在保持可运行时抑制每个低优先级进程的执行。

    同优先级FIFO RR并存

    Linux 提供了两种实时调度策略,SCHED_FIFO 和 SCHED_RR。正常的非实时调度策略是 SCHED_NORMAL。 SCHED_FIFO 实现了一个简单的没有时间片的先进先出调度算法。一个可运行的 SCHED_FIFO 任务总是调度在任何 SCHED_NORMAL 任务之上。当 SCHED_FIFO 任务变为可运行时,它会继续运行,直到它阻塞或显式让出处理器;它没有时间片,可以无限期地运行。只有更高优先级的 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR 任务可以抢占 SCHED_FIFO 任务。具有相同优先级的两个或多个 SCHED_FIFO 任务循环运行,但同样仅在它们明确选择这样做时才让出处理器。如果 SCHED_FIFO 任务是可运行的,则所有优先级较低的任务在完成之前都无法运行。 SCHED_RR 与 SCHED_FIFO 相同,只是每个进程只能运行到它用完预定的时间片。也就是说,SCHED_RR 是带有时间片的 SCHED_FIFO,它是一种实时循环调度算法。当 SCHED_RR 任务耗尽其时间片时,任何其他处于其优先级的实时进程都将被调度轮询。时间片仅用于允许重新安排相同优先级的进程。与 SCHED_FIFO 一样,高优先级的进程总是立即抢占低优先级的进程,而低优先级的进程永远不能抢占 SCHED_RR 任务,即使它的时间片已用尽。

    只有当发生以下事件之一时,实时进程才会被另一个进程取代:

    • 该进程被具有更高实时优先级的另一个进程抢占
    • 该进程执行阻塞操作,并将其置于休眠状态(状态为TASK_可中断或TASK_UNINTERRUPTIBLE)。
    • 进程停止(状态为TASK_STOPPED或TASK_TRACED),或被终止(状态为EXIT_ZOMBIE或EXIT_DEAD)。
    • 该进程通过调用sched_yield()系统调用来自愿放弃CPU(请参见本章后面的“与调度相关的系统调用”部分)。
    • 这个过程是实时循环(SCHED_RR),它已经耗尽了它的时间片。

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    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。

     

     

     

    展开全文
  • linux进程调度策略

    2012-09-02 09:52:58
    linux进程调度策略讲解的很浅显易懂,实时进程,普通进程的调度,区别,优先级,调度的公平性,调度的时机,内核抢占,中断
  • 描述了Linux进程调度的过程,Linux采用时间片轮转和可剥夺调度优先级相结合的调度策略,它把进程分成两类:实时进程和非实时进程。实时进程总是在非实时进程之前运行。
  • Linux 进程调度的主要策略

    千次阅读 2021-05-10 03:56:26
    1、Linux进程分为5种类别,分别是停止类、截止类、实时类、公平类、空闲类,每种类别都有一个运行队列,每次调度时,就是先按照类别优先级排序,再按照每个类别内的最高优先级任务调度运行。文件:core.c (linux-...

    1、Linux 下进程分为5种类别,分别是停止类、截止类、实时类、公平类、空闲类,

    每种类别都有一个运行队列,每次调度时,就是先按照类别优先级排序,再按照每个类别内的最高优先级任务调度运行。

    e2bbae69f1a11ce6092db00c4836afc6.png

    文件:core.c (linux-4.6\kernel\sched)

    4d3c53767df90e2544a167eb58394bf0.png

    解读:先看下面的for循环,可以看到实现思路是,遍历每种类别,选择下一个可运行的任务。由于大部分任务都属于公平队列,所以,绝大部分情况下,都在公平队列中进行选择,所以,内核开发者在上面的代码中加了likely()提高性能。

    62897bd5d23d2abfa73d85cf8160c882.png

    5a16df670b006a396e2f50caa33e5158.png

    a0ff2fcc9254d32565e5e73a188642cb.png

    e21aa15ab92b136d1003f533146abd9c.png

    e43e0999d7a920769792eb99253e728e.png

    3b069d527e73a13b6051b34fc0f36ffe.png

    2、调度程序schedule()的调用次序。

    schedule() --- > __schedule () --- > pick_next_task()

    文件:core.c (linux-4.6\kernel\sched)

    d877692c9b212ebfa3463124c5a7303c.png

    6bd65dde8ecbb837aa7df35590dec096.png

    。。。。。。(中间有省略)

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    Linux系统中进程调度策略

    葛 君1,2,郑凤婷2

    (1.软件工程国家重点实验室(武汉大学),湖北武汉,430072;2.商丘职业技术学院,河南商丘,476000)

    摘 要:Linux是一个多用户多任务的操作系统.Linux中实现了对多个进程公平、高效的调度,并不是采用单

    一的调度策略,而是几种调度策略有机地综合应用.

    关键词:进程调度;优先级;时间片轮转;实时进程

    中图分类号:TP31617            文献标识码:A

    在任何一种操作系统中,进程调度一直是一个核心问题,进程调度策略的选择对整个系统性能有至关重要的影响.一个好的调度算法应该考虑很多方面:公平、有效、响应时间、周转时间,但这些因素之间又是相互矛盾的,最终的取舍根据系统要达到的目标而定.本文以,分析其进程调度策略,以期对进程调度过程有更深层次的认识.

    1 Linux的进程调度

    Linux支持多进程,进程控制块)是系统中最为重要的数据结构之一,用来存放进程所必需的各种信息.,包括进程的类型、进程状态、优先级、时钟信息等.

    Linux()函数执行.这是一个只在内核态运行的函数,函数代码为所有进程共享.

    2 Linux进程调度时机

    Linux的进程调度时机与现代操作系统中的调度时机基本一致,为了判断是否可以执行内核的进程调度程序来调度进程,Linux中设置了进程调度标志need_resched,当标志为1时,可执行调度程序.通常,Linux调度时机分以下两种情况:(1)主动调度:指显式调用schedule()函数明确释放CPU,引起新一轮调度.一般发生在当前进程状态改变,如:进程终止、进程睡眠、进程对某些信号处理过程中等.(2)被动调度:指不显示调用schedule()函数,只是PCB中的need_resched进程调度标志,该域置位为1将引起新的进程调度,而每当中断处理和系统调用返回时,核心调度程序都会主动查询need_resched的状态(若置位,则主动调用schedule()函数).一般发生在新的进程产生时、某个进程优先级改变时、某个进程等待的资源可用被唤醒时、当前进程时间片用完等.

    3 Linux进程调度策略

    一般来说,不同用途的操作系统的调度策略是不同的.Linux进程调度是将优先级调度、时间片轮转法调度、先进先出调度综合起来应用.Linux系统中,不同类型的进程调度策略也不一样.

    3.1 与进程调度相关的数据结构

    每个进程都是一个动态的个体,其生命周期依次定义的数据结构为:TASK_RUNNING,TASK_INTER2RUPTIBLE,TASK_UNINTERRUPTIBLE,TASK_ZOMBIE和TASK_STOPPED.一个进程在其生存期间,状态会发生多次变化.

    收稿日期:2009-04-02

    作者简介:葛 君(1983—)女,河南商丘人,软件工程国家重点实验室(武汉大学)在读工程硕士,主要从事计算机操作系统及数据库

    研究.

    42

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