Linux進(jìn)程的調(diào)度

上回書說到 Linux進(jìn)程的由來 和 Linux進(jìn)程的創(chuàng)建 ，其實(shí)在同一時刻只能支持有限個進(jìn)程或線程同時運(yùn)行(這取決于CPU核數(shù)量，基本上一個進(jìn)程對應(yīng)一個CPU)，在一個運(yùn)行的操作系統(tǒng)上可能運(yùn)行著很多進(jìn)程，如果運(yùn)行的進(jìn)程占據(jù)CPU的時間很長，就有可能導(dǎo)致其他進(jìn)程餓死。為了解決這種問題，操作系統(tǒng)引入了 進(jìn)程調(diào)度器 來進(jìn)行進(jìn)程的切換，輪流讓各個進(jìn)程使用CPU資源。

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1）rq： 進(jìn)程的運(yùn)行隊列( runqueue)， 每個CPU對應(yīng)一個 ，包含自旋鎖(spinlock)、進(jìn)程數(shù)量、用于公平調(diào)度的CFS信息結(jié)構(gòu)、當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程描述符等。實(shí)際的進(jìn)程隊列用紅黑樹來維護(hù)(通過CFS信息結(jié)構(gòu)來訪問)。

2）cfs_rq： cfs調(diào)度的進(jìn)程運(yùn)行隊列信息 ，包含紅黑樹的根結(jié)點(diǎn)、正在運(yùn)行的進(jìn)程指針、用于負(fù)載均衡的葉子隊列等。

3）sched_entity： 把需要調(diào)度的東西抽象成調(diào)度實(shí)體 ，調(diào)度實(shí)體可以是進(jìn)程、進(jìn)程組、用戶等。這里包含負(fù)載權(quán)重值、對應(yīng)紅黑樹結(jié)點(diǎn)、 虛擬運(yùn)行時vruntime 等。

4）sched_class：把 調(diào)度策略(算法)抽象成調(diào)度類 ，包含一組通用的調(diào)度操作接口。接口和實(shí)現(xiàn)是分離，可以根據(jù)調(diào)度接口去實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)度算法，使一個Linux調(diào)度程序可以有多個不同的調(diào)度策略。

1） 關(guān)閉內(nèi)核搶占 ，初始化部分變量。獲取當(dāng)前CPU的ID號，并賦值給局部變量CPU， 使rq指向CPU對應(yīng)的運(yùn)行隊列 。 標(biāo)識當(dāng)前CPU發(fā)生任務(wù)切換 ，通知RCU更新狀態(tài)，如果當(dāng)前CPU處于rcu_read_lock狀態(tài)，當(dāng)前進(jìn)程將會放入rnp- blkd_tasks阻塞隊列，并呈現(xiàn)在rnp- gp_tasks鏈表中。 關(guān)閉本地中斷 ，獲取所要保護(hù)的運(yùn)行隊列的自旋鎖， 為查找可運(yùn)行進(jìn)程做準(zhǔn)備 。

2） 檢查prev的狀態(tài)，更新運(yùn)行隊列 。如果不是可運(yùn)行狀態(tài)，而且在內(nèi)核態(tài)沒被搶占，應(yīng)該從運(yùn)行隊列中 刪除prev進(jìn)程 。如果是非阻塞掛起信號，而且狀態(tài)為TASK_INTER-RUPTIBLE，就把該進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為TASK_RUNNING，并將它 插入到運(yùn)行隊列 。

3）task_on_rq_queued(prev) 將pre進(jìn)程插入到運(yùn)行隊列的隊尾。

4）pick_next_task 選取將要執(zhí)行的next進(jìn)程。

5）context_switch(rq, prev, next)進(jìn)行 進(jìn)程上下文切換 。

1) 該進(jìn)程分配的CPU時間片用完。

2) 該進(jìn)程主動放棄CPU(例如IO操作)。

3) 某一進(jìn)程搶占CPU獲得執(zhí)行機(jī)會。

Linux并沒有使用x86 CPU自帶的任務(wù)切換機(jī)制，需要通過手工的方式實(shí)現(xiàn)了切換。

進(jìn)程創(chuàng)建后在內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為task_struct ， 該結(jié)構(gòu)中有掩碼屬性cpus_allowed，4個核的CPU可以有4位掩碼，如果CPU開啟超線程，有一個8位掩碼，進(jìn)程可以運(yùn)行在掩碼位設(shè)置為1的CPU上。

Linux內(nèi)核API提供了兩個系統(tǒng)調(diào)用 ，讓用戶可以修改和查看當(dāng)前的掩碼：

1) sched_setaffinity()：用來修改位掩碼。

2) sched_getaffinity()：用來查看當(dāng)前的位掩碼。

在下次task被喚醒時，select_task_rq_fair根據(jù)cpu_allowed里的掩碼來確定將其置于哪個CPU的運(yùn)行隊列，一個進(jìn)程在某一時刻只能存在于一個CPU的運(yùn)行隊列里。

在Nginx中，使用了CPU親和度來完成某些場景的工作：

worker_processes? ? ? 4;

worker_cpu_affinity 0001001001001000;

上面這個配置說明了4個工作進(jìn)程中的每一個和一個CPU核掛鉤。如果這個內(nèi)容寫入Nginx的配置文件中，然后Nginx啟動或者重新加載配置的時候，若worker_process是4，就會啟用4個worker，然后把worker_cpu_affinity后面的4個值當(dāng)作4個cpu affinity mask，分別調(diào)用ngx_setaffinity，然后就把4個worker進(jìn)程分別綁定到CPU0～3上。

worker_processes? ? ? 2;

worker_cpu_affinity 01011010;

上面這個配置則說明了兩個工作進(jìn)程中的每一個和2個核掛鉤。

Linux中如何啟動進(jìn)程？進(jìn)程調(diào)度命令有哪些？

Linux技術(shù)的發(fā)展引起了很多企業(yè)和個人的關(guān)注。市場對Linux運(yùn)維的需求逐漸增加，學(xué)習(xí)Linux技術(shù)的人越來越多。在Linux運(yùn)維中，進(jìn)程是必須學(xué)習(xí)掌握的技能。那么Linux中如何啟動進(jìn)程？常用的進(jìn)程調(diào)度命令有哪些？

執(zhí)行中的程序稱作進(jìn)程。當(dāng)程序的可執(zhí)行文件存儲在存儲器中并運(yùn)行時，每個進(jìn)程將被動態(tài)分配系統(tǒng)資源、內(nèi)存、安全屬性和相關(guān)狀態(tài)。多個進(jìn)程可以與同一個程序相關(guān)聯(lián)，并在同一時間執(zhí)行，而不會相互干擾。操作系統(tǒng)將有效地管理和跟蹤所有正在運(yùn)行的進(jìn)程。

Linux中如何啟動進(jìn)程？啟動進(jìn)程的方法是什么？

手工啟動。用戶在輸入端發(fā)出命令，直接啟動進(jìn)程。分為前臺啟動和后臺啟動。前臺啟動：直接在SHELL中輸入命令進(jìn)行啟動。后臺啟動：啟動一個目前并不緊急的進(jìn)程。

調(diào)度啟動。系統(tǒng)管理員根據(jù)系統(tǒng)資源和進(jìn)程占用資源的情況，事先進(jìn)行調(diào)度安排，指定任務(wù)運(yùn)行的時間和場合，到時候系統(tǒng)會自動完成該任務(wù)。

常用的進(jìn)程調(diào)度命令有哪些？

常用的進(jìn)程調(diào)度命令有：at、batch、crontab。

以上便是關(guān)于“如何啟動或終止進(jìn)程？常用的進(jìn)程調(diào)度命令有哪些？”的相關(guān)介紹。想要成為一名優(yōu)秀的Linux運(yùn)維工程師，需要掌握更多的Linux知識。

Linux 進(jìn)程調(diào)度

Linux的調(diào)度策略區(qū)分實(shí)時進(jìn)程和普通進(jìn)程，實(shí)時進(jìn)程的調(diào)度策略是SCHED_FIFO和SCHED_RR，普通的，非實(shí)時進(jìn)程的調(diào)度策略是SCHED_NORMAL（SCHED_OTHER）。

實(shí)時調(diào)度策略被實(shí)時調(diào)度器管理，普通調(diào)度策略被完全公平調(diào)度器來管理。實(shí)時進(jìn)程的優(yōu)先級要高于普通進(jìn)程（nice越小優(yōu)先級越高）。

SCHED_FIFO實(shí)現(xiàn)了一種簡單的先入先出的調(diào)度算法，它不使用時間片，但支持搶占，只有優(yōu)先級更高的SCHED_FIFO或者SCHED_RR進(jìn)程才能搶占它，否則它會一直執(zhí)行下去，低優(yōu)先級的進(jìn)程不能搶占它，直到它受阻塞或自己主動釋放處理器。

SCHED_RR是帶有時間片的一種實(shí)時輪流調(diào)度算法，當(dāng)SCHED_RR進(jìn)程耗盡它的時間片時，同一優(yōu)先級的其它實(shí)時進(jìn)程被輪流調(diào)度，時間片只用來重新調(diào)用同一優(yōu)先級的進(jìn)程，低優(yōu)先級的進(jìn)程決不能搶占SCHED_RR任務(wù)，即使它的時間片耗盡。SCHED_RR是帶時間片的SCHED_FIFO。

Linux的實(shí)時調(diào)度算法提供了一種軟實(shí)時工作方式，軟實(shí)時的含義是盡力調(diào)度進(jìn)程，盡力使進(jìn)程在它的限定時間到來前運(yùn)行，但內(nèi)核不保證總能滿足這些進(jìn)程的要求，相反，硬實(shí)時系統(tǒng)保證在一定的條件下，可以滿足任何調(diào)度的要求。

SCHED_NORMAL使用完全公平調(diào)度算法（CFS），之前的算法直接將nice值對應(yīng)時間片的長度，而在CFS中，nice值只作為進(jìn)程獲取處理器運(yùn)行比的權(quán)重，每個進(jìn)程都有一個權(quán)重，nice優(yōu)先級越高，權(quán)重越大，表示應(yīng)該運(yùn)行更長的時間。Linux的實(shí)現(xiàn)中，每個進(jìn)程都有一個vruntime字段，vruntime是經(jīng)過量化的進(jìn)程運(yùn)行時間，也就是實(shí)際運(yùn)行時間除以權(quán)重，所以每個量化后的vruntime應(yīng)該相等，這就體現(xiàn)了公平性。

CFS當(dāng)然也支持搶占，但與實(shí)時調(diào)度算法不同，實(shí)時調(diào)度算法是根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行搶占，CFS是根據(jù)vruntime進(jìn)行搶占，vruntime小就擁有優(yōu)先被運(yùn)行的權(quán)利。

為了計算時間片，CFS算法需要為完美多任務(wù)中的無限小調(diào)度周期設(shè)定近似值，這個近似值也稱作目標(biāo)延遲，指每個可運(yùn)行進(jìn)程在目標(biāo)延遲內(nèi)都會調(diào)度一次，如果進(jìn)程數(shù)量太多，則時間粒度太小，所以約定時間片的默認(rèn)最小粒度是1ms。

進(jìn)程可以分為I/O消耗型和處理器消耗型，這兩種進(jìn)程的調(diào)度策略應(yīng)該不同，I/O消耗型應(yīng)該更加實(shí)時，給對端的感覺是響應(yīng)很快，同時它一般又不會消耗太多的處理器，因而I/O消耗型需要調(diào)度頻繁。相對來說，處理器消耗型不需要特別實(shí)時，應(yīng)該盡量降低它的調(diào)度頻度，延長其運(yùn)行時間。

參考： linux內(nèi)核分析——CFS（完全公平調(diào)度算法） - 一路向北你好 - 博客園

Linux - 進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度算法也稱 CPU 調(diào)度算法，畢竟進(jìn)程是由 CPU 調(diào)度的。

當(dāng) CPU 空閑時，操作系統(tǒng)就選擇內(nèi)存中的某個「就緒狀態(tài)」的進(jìn)程，并給其分配 CPU。

什么時候會發(fā)生 CPU 調(diào)度呢？通常有以下情況：

其中發(fā)生在 1 和 4 兩種情況下的調(diào)度稱為「非搶占式調(diào)度」，2 和 3 兩種情況下發(fā)生的調(diào)度稱為「搶占式調(diào)度」。

非搶占式的意思就是，當(dāng)進(jìn)程正在運(yùn)行時，它就會一直運(yùn)行，直到該進(jìn)程完成或發(fā)生某個事件而被阻塞時，才會把 CPU 讓給其他進(jìn)程。

而搶占式調(diào)度，顧名思義就是進(jìn)程正在運(yùn)行的時候，可以被打斷，使其把 CPU 讓給其他進(jìn)程。那搶占的原則一般有三種，分別是時間片原則、優(yōu)先權(quán)原則、短作業(yè)優(yōu)先原則。

你可能會好奇為什么第 3 種情況也會發(fā)生 CPU 調(diào)度呢？假設(shè)有一個進(jìn)程是處于等待狀態(tài)的，但是它的優(yōu)先級比較高，如果該進(jìn)程等待的事件發(fā)生了，它就會轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)，一旦它轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)，如果我們的調(diào)度算法是以優(yōu)先級來進(jìn)行調(diào)度的，那么它就會立馬搶占正在運(yùn)行的進(jìn)程，所以這個時候就會發(fā)生 CPU 調(diào)度。

那第 2 種狀態(tài)通常是時間片到的情況，因?yàn)闀r間片到了就會發(fā)生中斷，于是就會搶占正在運(yùn)行的進(jìn)程，從而占用 CPU。

調(diào)度算法影響的是等待時間（進(jìn)程在就緒隊列中等待調(diào)度的時間總和），而不能影響進(jìn)程真在使用 CPU 的時間和 I/O 時間。

最簡單的一個調(diào)度算法，就是非搶占式的先來先服務(wù)（First Come First Severd, FCFS）算法了。

顧名思義，先來后到，每次從就緒隊列選擇最先進(jìn)入隊列的進(jìn)程，然后一直運(yùn)行，直到進(jìn)程退出或被阻塞，才會繼續(xù)從隊列中選擇第一個進(jìn)程接著運(yùn)行。

這似乎很公平，但是當(dāng)一個長作業(yè)先運(yùn)行了，那么后面的短作業(yè)等待的時間就會很長，不利于短作業(yè)。

FCFS 對長作業(yè)有利，適用于 CPU 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)，而不適用于 I/O 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)。

最短作業(yè)優(yōu)先（Shortest Job First, SJF）調(diào)度算法同樣也是顧名思義，它會優(yōu)先選擇運(yùn)行時間最短的進(jìn)程來運(yùn)行，這有助于提高系統(tǒng)的吞吐量。

這顯然對長作業(yè)不利，很容易造成一種極端現(xiàn)象。

比如，一個長作業(yè)在就緒隊列等待運(yùn)行，而這個就緒隊列有非常多的短作業(yè)，那么就會使得長作業(yè)不斷的往后推，周轉(zhuǎn)時間變長，致使長作業(yè)長期不會被運(yùn)行。

前面的「先來先服務(wù)調(diào)度算法」和「最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法」都沒有很好的權(quán)衡短作業(yè)和長作業(yè)。

那么，高響應(yīng)比優(yōu)先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）調(diào)度算法主要是權(quán)衡了短作業(yè)和長作業(yè)。

每次進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度時，先計算「響應(yīng)比優(yōu)先級」，然后把「響應(yīng)比優(yōu)先級」最高的進(jìn)程投入運(yùn)行，「響應(yīng)比優(yōu)先級」的計算公式：

從上面的公式，可以發(fā)現(xiàn)：

最古老、最簡單、最公平且使用最廣的算法就是時間片輪轉(zhuǎn)（Round Robin, RR）調(diào)度算法。

每個進(jìn)程被分配一個時間段，稱為時間片（Quantum），即允許該進(jìn)程在該時間段中運(yùn)行。

另外，時間片的長度就是一個很關(guān)鍵的點(diǎn)：

通常時間片設(shè)為 20ms~50ms 通常是一個比較合理的折中值。

前面的「時間片輪轉(zhuǎn)算法」做了個假設(shè)，即讓所有的進(jìn)程同等重要，也不偏袒誰，大家的運(yùn)行時間都一樣。

但是，對于多用戶計算機(jī)系統(tǒng)就有不同的看法了，它們希望調(diào)度是有優(yōu)先級的，即希望調(diào)度程序能從就緒隊列中選擇最高優(yōu)先級的進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行，這稱為最高優(yōu)先級（Highest Priority First，HPF）調(diào)度算法。

進(jìn)程的優(yōu)先級可以分為，靜態(tài)優(yōu)先級或動態(tài)優(yōu)先級：

該算法也有兩種處理優(yōu)先級高的方法，非搶占式和搶占式：

但是依然有缺點(diǎn)，可能會導(dǎo)致低優(yōu)先級的進(jìn)程永遠(yuǎn)不會運(yùn)行。

多級反饋隊列（Multilevel Feedback Queue）調(diào)度算法是「時間片輪轉(zhuǎn)算法」和「最高優(yōu)先級算法」的綜合和發(fā)展。

顧名思義：

工作原理：

設(shè)置了多個隊列，賦予每個隊列不同的優(yōu)先級，每個隊列優(yōu)先級從高到低，同時優(yōu)先級越高時間片越短；

新的進(jìn)程會被放入到第一級隊列的末尾，按先來先服務(wù)的原則排隊等待被調(diào)度，如果在第一級隊列規(guī)定的時間片沒運(yùn)行完成，則將其轉(zhuǎn)入到第二級隊列的末尾，以此類推，直至完成；

當(dāng)較高優(yōu)先級的隊列為空，才調(diào)度較低優(yōu)先級的隊列中的進(jìn)程運(yùn)行。如果進(jìn)程運(yùn)行時，有新進(jìn)程進(jìn)入較高優(yōu)先級的隊列，則停止當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程并將其移入到原隊列末尾，接著讓較高優(yōu)先級的進(jìn)程運(yùn)行；

可以發(fā)現(xiàn)，對于短作業(yè)可能可以在第一級隊列很快被處理完。對于長作業(yè)，如果在第一級隊列處理不完，可以移入下次隊列等待被執(zhí)行，雖然等待的時間變長了，但是運(yùn)行時間也會更長了，所以該算法很好的兼顧了長短作業(yè)，同時有較好的響應(yīng)時間。

整體架構(gòu)如下，即調(diào)度策略是模塊化設(shè)計的，調(diào)度器根據(jù)不同的進(jìn)程依次遍歷不同的調(diào)度策略，找到進(jìn)程對應(yīng)的調(diào)度策略，調(diào)度的結(jié)果即為選出一個可運(yùn)行的進(jìn)程指針，并將其加入到進(jìn)程可運(yùn)行隊列中。

以一棵紅黑樹管理所有需要調(diào)度的進(jìn)程，

紅黑樹，左邊節(jié)點(diǎn)小于右邊節(jié)點(diǎn)的值，運(yùn)行到目前為止vruntime最小的進(jìn)程，同時考慮了CPU/IO和nice，總是找vruntime最小的線程調(diào)度。

vruntime = pruntime/weight × 1024;

vruntime是虛擬運(yùn)行時間，pruntime是物理運(yùn)行時間，weight權(quán)重由nice值決定(nice越低權(quán)重越高)，則運(yùn)行時間少、nice值低的的線程vruntime小，將得到優(yōu)先調(diào)度。這是一個隨運(yùn)行而動態(tài)變化的過程。

當(dāng)前文章：linux中調(diào)度進(jìn)程命令 linux任務(wù)調(diào)度 命令
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