Linux进程调度的源码分析 基于Linux Kernel 4.4.2

### Linux进程调度的源码分析 #### 进程调度预备知识 **1.1 多任务** 多任务是指操作系统能够同时并发地执行多个进程。在单处理器系统中，通过快速切换进程来创建一种多任务执行的错觉。实际上，任何时刻只有一个进程在执行，而这种切换过程对于用户来说几乎是瞬时的，从而产生了并发执行的感觉。 Linux采用了抢占式多任务机制，即系统可以在任何时候中断当前正在执行的进程，并选择另一个进程进行调度。这与非抢占式系统形成对比，在非抢占式系统中，只有当进程自愿放弃CPU控制权时，其他进程才有机会运行。 **1.2 进程分类** 根据进程对系统资源的需求，可以将进程分为两大类： - **I/O 密集型进程**：这类进程主要花费时间在提交I/O请求或等待I/O完成上。例如，图形用户界面应用、网络服务器等都是典型的I/O密集型进程。 - **CPU 密集型进程**：这类进程大部分时间都在执行CPU指令，很少进行I/O操作。例如，科学计算软件或复杂的算法处理程序。 这两种类型的进程有着不同的资源需求和响应特性，因此在设计调度策略时需要考虑这些差异，以达到资源的最佳利用。 **1.3 进程优先级** Linux中的进程调度支持两种不同的优先级设置方式：基于nice值和实时优先级。 - **nice值**：这是一个整数值，范围从-20（最高优先级）到19（最低优先级）。默认值为0。通过调整进程的nice值可以改变其在调度队列中的位置，进而影响到调度时机。用户可以通过`nice`命令设置新进程的nice值，或者使用`renice`命令修改已存在进程的nice值。 - **实时优先级**：用于实时进程，优先级范围通常为0至99，其中0表示最高优先级。实时进程具有更高的优先级，能够在需要时抢占普通进程的CPU资源。 **1.4 时间片** 时间片是衡量进程连续执行时间的单位。Linux中使用时间片的概念来确保各个进程能够公平地分享CPU资源。当进程的时间片耗尽后，系统会将其放回就绪队列，并选择下一个进程继续执行。 #### Linux调度算法 **2.1 调度器类** Linux内核中的调度算法是以模块形式提供的，这意味着可以根据不同的应用场景选择不同的调度策略。这些调度策略通过调度器类实现，每个类都有其特定的调度逻辑，可以动态加载或卸载。例如，完全公平调度器（CFS）专门针对普通进程进行优化，而实时调度器则专为实时进程设计。 **2.2 完全公平调度 (CFS)** 完全公平调度（Completely Fair Scheduler, CFS）是一种针对普通进程的调度策略，其目标是在多核处理器环境中尽可能公平地分配CPU时间。CFS的核心思想是为每个进程维护一个虚拟运行时间，并根据这个虚拟时间来决定下一个运行的进程。 **时间记账** 在CFS中，每个进程都有一个与之关联的`struct sched_entity`结构体，用于跟踪该进程的运行情况。这个结构体包含了进程的虚拟运行时间以及其他用于调度决策的数据。 #### 进程调度源码分析 接下来，我们将深入探讨CFS是如何实现公平调度的。为了更好地理解其实现细节，我们可以将CFS的实现分为以下几个关键方面： **1.1 调度器结构** 在`include/linux/sched.h`头文件中定义了`struct sched_entity`结构体，这是CFS中表示调度实体的基本单元。它可以是一个单一进程，也可以是一组进程。该结构体包含了进程的虚拟运行时间、运行时长、等待时间等关键信息，以及用于实现公平调度所需的数据结构。 例如，`struct sched_entity`包含以下字段： - `virtual_runtime`：表示进程的虚拟运行时间。 - `vruntime`：进程的虚拟运行时间。 - `sum_exec_runtime`：表示进程组的总运行时间。 - `run_node`：用于管理进程在运行队列中的位置。 通过这些字段和其他相关数据结构的支持，CFS能够准确地跟踪每个进程的实际运行情况，并据此作出调度决策。 **总结** Linux的进程调度是操作系统中最核心的部分之一，通过对进程的不同类型和优先级进行管理和调度，可以有效地提高系统的整体性能和响应速度。完全公平调度（CFS）作为一种先进的调度策略，在多核处理器环境下表现尤为突出，它通过精确地追踪每个进程的虚拟运行时间，确保了进程之间的公平性。通过深入了解CFS的实现原理和源码结构，我们不仅可以更好地理解Linux内核的工作机制，还可以进一步探索如何优化调度策略以适应不同场景下的需求。