行程排程
主要內容:
- 什麼是調度
- 調度實現原理
- Linux上調度實現的方法
- 調度相關的系統調用
1. 什麼是調度
現在的操作系統都是多任務的,為了能讓更多的任務能同時在系統上更好的運行,需要一個管理程序來管理計算機上同時運行的各個任務(也就是進程)。
這個管理程序就是調度程序,它的功能說起來很簡單:
- 決定哪些進程運行,哪些進程等待
- 決定每個進程運行多長時間
此外,為了獲得更好的用戶體驗,運行中的進程還可以立即被其他更緊急的進程打斷。
總之,調度是一個平衡的過程。一方面,它要保證各個運行的進程能夠最大限度的使用CPU(即儘量少的切換進程,進程切換過多,CPU的時間會浪費在切換上);另一方面,保證各個進程能公平的使用CPU(即防止一個進程長時間獨佔CPU的情況)。
2. 調度實現原理
前面說過,調度功能就是決定哪個進程運行以及進程運行多長時間。
決定哪個進程運行以及運行多長時間都和進程的優先級有關。為了確定一個進程到底能持續運行多長時間,調度中還引入了時間片的概念。
2.1 關於進程的優先級
進程的優先級有2種度量方法,一種是nice值,一種是實時優先級。
nice值的範圍是-20~+19,值越大優先級越低,也就是說nice值為-20的進程優先級最大。
實時優先級的範圍是0~99,與nice值的定義相反,實時優先級是值越大優先級越高。
實時進程都是一些對響應時間要求比較高的進程,因此係統中有實時優先級高的進程處於運行隊列的話,它們會搶佔一般的進程的運行時間。
進程的2種優先級會讓人不好理解,到底哪個優先級更優先?一個進程同時有2種優先級怎麼辦?
其實linux的內核早就有了解決辦法。
對於第一個問題,到底哪個優先級更優先?
答案是實時優先級高於nice值,在內核中,實時優先級的範圍是 0~MAX_RT_PRIO-1 MAX_RT_PRIO的定義參見 include/linux/sched.h
1611 #define MAX_USER_RT_PRIO 100
1612 #define MAX_RT_PRIO MAX_USER_RT_PRIO
nice值在內核中的範圍是 MAX_RT_PRIO~MAX_RT_PRIO+40 即 MAX_RT_PRIO~MAX_PRIO
1614 #define MAX_PRIO (MAX_RT_PRIO + 40)
第二個問題,一個進程同時有2種優先級怎麼辦?
答案很簡單,就是一個進程不可能有2個優先級。一個進程有了實時優先級就沒有Nice值,有了Nice值就沒有實時優先級。
我們可以通過以下命令查看進程的實時優先級和Nice值:(其中RTPRIO是實時優先級,NI是Nice值)
$ ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,ni,time,comm
S UID PID PPID RTPRIO NI TIME COMMAND
S 0 1 0 - 0 00:00:00 systemd
S 0 2 0 - 0 00:00:00 kthreadd
S 0 3 2 - 0 00:00:00 ksoftirqd/0
S 0 6 2 99 - 00:00:00 migration/0
S 0 7 2 99 - 00:00:00 watchdog/0
S 0 8 2 99 - 00:00:00 migration/1
S 0 10 2 - 0 00:00:00 ksoftirqd/1
S 0 12 2 99 - 00:00:00 watchdog/1
S 0 13 2 99 - 00:00:00 migration/2
S 0 15 2 - 0 00:00:00 ksoftirqd/2
S 0 16 2 99 - 00:00:00 watchdog/2
S 0 17 2 99 - 00:00:00 migration/3
S 0 19 2 - 0 00:00:00 ksoftirqd/3
S 0 20 2 99 - 00:00:00 watchdog/3
S 0 21 2 - -20 00:00:00 cpuset
S 0 22 2 - -20 00:00:00 khelper
2.2 關於時間片
有了優先級,可以決定誰先運行了。但是對於調度程序來說,並不是運行一次就結束了,還必須知道間隔多久進行下次調度。
於是就有了時間片的概念。時間片是一個數值,表示一個進程被搶佔前能持續運行的時間。
也可以認為是進程在下次調度發生前運行的時間(除非進程主動放棄CPU,或者有實時進程來搶佔CPU)。
時間片的大小設置並不簡單,設大了,系統響應變慢(調度週期長);設小了,進程頻繁切換帶來的處理器消耗。默認的時間片一般是10ms
2.3 調度實現原理(基於優先級和時間片)
下面舉個直觀的例子來說明:
假設系統中只有3個進程ProcessA(NI=+10),ProcessB(NI=0),ProcessC(NI=-10),NI表示進程的nice值,時間片=10ms
1) 調度前,把進程優先級按一定的權重映射成時間片(這裡假設優先級高一級相當於多5msCPU時間)。
假設ProcessA分配了一個時間片10ms,那麼ProcessB的優先級比ProcessA高10(nice值越小優先級越高),ProcessB應該分配10*5+10=60ms,以此類推,ProcessC分配20*5+10=110ms
2) 開始調度時,優先調度分配CPU時間多的進程。由於ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(110ms)。顯然先調度ProcessC
3) 10ms(一個時間片)後,再次調度時,ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(100ms)。ProcessC剛運行了10ms,所以變成100ms。此時仍然先調度ProcessC
4) 再調度4次後(4個時間片),ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(60ms)。此時ProcessB和ProcessC的CPU時間一樣,這時得看ProcessB和ProcessC誰在CPU運行隊列的前面,假設ProcessB在前面,則調度ProcessB
5) 10ms(一個時間片)後,ProcessA(10ms),ProcessB(50ms),ProcessC(60ms)。再次調度ProcessC
6) ProcessB和ProcessC交替運行,直至ProcessA(10ms),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。
這時得看ProcessA,ProcessB,ProcessC誰在CPU運行隊列的前面就先調度誰。這裡假設調度ProcessA
7) 10ms(一個時間片)後,ProcessA(時間片用完後退出),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。
8) 再過2個時間片,ProcessB和ProcessC也運行完退出。
這個例子很簡單,主要是為了說明調度的原理,實際的調度算法雖然不會這麼簡單,但是基本的實現原理也是類似的:
1)確定每個進程能佔用多少CPU時間(這裡確定CPU時間的算法有很多,根據不同的需求會不一樣)
2)佔用CPU時間多的先運行
3)運行完後,扣除運行進程的CPU時間,再回到 1)
3. Linux上調度實現的方法
Linux上的調度算法是不斷髮展的,在2.6.23內核以後,採用了“完全公平調度算法”,簡稱CFS。
CFS算法在分配每個進程的CPU時間時,不是分配給它們一個絕對的CPU時間,而是根據進程的優先級分配給它們一個佔用CPU時間的百分比。
比如ProcessA(NI=1),ProcessB(NI=3),ProcessC(NI=6),在CFS算法中,分別佔用CPU的百分比為:ProcessA(10%),ProcessB(30%),ProcessC(60%)
因為總共是100%,ProcessB的優先級是ProcessA的3倍,ProcessC的優先級是ProcessA的6倍。
Linux上的CFS算法主要有以下步驟:(還是以ProcessA(10%),ProcessB(30%),ProcessC(60%)為例)
1)計算每個進程的vruntime(注1),通過update_curr()函數更新進程的vruntime。
2)選擇具有最小vruntime的進程投入運行。(注2)
3)進程運行完後,更新進程的vruntime,轉入步驟2) (注3)
注1. 這裡的vruntime是進程虛擬運行的時間的總和。vruntime定義在:kernel/sched_fair.c 文件的 struct sched_entity 中。
注2. 這裡有點不好理解,根據vruntime來選擇要運行的進程,似乎和每個進程所佔的CPU時間百分比沒有關係了。
1)比如先運行ProcessC,(vr是vruntime的縮寫),則10ms後:ProcessA(vr=0),ProcessB(vr=0),ProcessC(vr=10)
2)那麼下次調度只能運行ProcessA或者ProcessB。(因為會選擇具有最小vruntime的進程)
長時間來看的話,ProcessA、ProcessB、ProcessC是公平的交替運行的,和優先級沒有關係。
而實際上vruntime並不是實際的運行時間,它是實際運行時間進行加權運算後的結果。
比如上面3個進程中ProcessA(10%)只分配了CPU總的處理時間的10%,那麼ProcessA運行10ms的話,它的vruntime會增加100ms。
以此類推,ProcessB運行10ms的話,它的vruntime會增加(100/3)ms,ProcessC運行10ms的話,它的vruntime會增加(100/6)ms。
實際的運行時,由於ProcessC的vruntime增加的最慢,所以它會獲得最多的CPU處理時間。
上面的加權算法是我自己為了理解方便簡化的,Linux對vruntime的加權方法還得去看源碼^-^
注3.Linux為了能快速的找到具有最小vruntime,將所有的進程的存儲在一個紅黑樹中。這樣樹的最左邊的葉子節點就是具有最小vruntime的進程,新的進程加入或有舊的進程退出時都會更新這棵樹。
其實Linux上的調度器是以模塊方式提供的,每個調度器有不同的優先級,所以可以同時存在多種調度算法。
每個進程可以選擇自己的調度器,Linux調度時,首先按調度器的優先級選擇一個調度器,再選擇這個調度器下的進程。
4. 調度相關的系統調用
調度相關的系統調用主要有2類:
1) 與調度策略和進程優先級相關 (就是上面的提到的各種參數,優先級,時間片等等) - 下表中的前8個
2) 與處理器相關 - 下表中的最後3個
系統調用 |
描述 |
nice() |
設置進程的nice值 |
sched_setscheduler() |
設置進程的調度策略,即設置進程採取何種調度算法 |
sched_getscheduler() |
獲取進程的調度算法 |
sched_setparam() |
設置進程的實時優先級 |
sched_getparam() |
獲取進程的實時優先級 |
sched_get_priority_max() |
獲取實時優先級的最大值,由於用戶權限的問題,非root用戶並不能設置實時優先級為99 |
sched_get_priority_min() |
獲取實時優先級的最小值,理由與上面類似 |
sched_rr_get_interval() |
獲取進程的時間片 |
sched_setaffinity() |
設置進程的處理親和力,其實就是保存在task_struct中的cpu_allowed這個掩碼標誌。該掩碼的每一位對應一個系統中可用的處理器,默認所有位都被設置,即該進程可以再系統中所有處理器上執行。 用戶可以通過此函數設置不同的掩碼,使得進程只能在系統中某一個或某幾個處理器上運行。 |
sched_getaffinity() |
獲取進程的處理親和力 |
sched_yield() |
暫時讓出處理器 |