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探究linux進(jìn)程調(diào)度方式：多樣性與靈活性
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操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的軟件，對(duì)于優(yōu)化計(jì)算機(jī)資源的利用非常重要。進(jìn)程調(diào)度作為操作系統(tǒng)功能之一，對(duì)于現(xiàn)代操作系統(tǒng)來說更是至關(guān)重要。Linux作為一款自由開源軟件，以其穩(wěn)定、可移植性等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文將探究Linux進(jìn)程調(diào)度方式的多樣性與靈活性。
1. Linux進(jìn)程調(diào)度方法概述
進(jìn)程調(diào)度即操作系統(tǒng)決定哪個(gè)進(jìn)程可以占用處理器和執(zhí)行運(yùn)算。在Linux中，進(jìn)程調(diào)度方法可以分為兩種，一種是基于時(shí)間分片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，另一種是基于進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法。
輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法是最常見的一種進(jìn)程調(diào)度方式，目前在Linux系統(tǒng)中尚屬于最常用的調(diào)度算法之一。它按照時(shí)間片的大小時(shí)間片輪流分配給每個(gè)進(jìn)程，在時(shí)間片到期之后，操作系統(tǒng)會(huì)暫停當(dāng)前進(jìn)程，然后調(diào)度另一個(gè)進(jìn)程來執(zhí)行。
實(shí)時(shí)調(diào)度算法則是優(yōu)先級(jí)排序的方式，一般通過調(diào)節(jié)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來控制進(jìn)程占用CPU時(shí)間。實(shí)時(shí)調(diào)度算法有兩類：一類是硬實(shí)時(shí)（Hard Real-time），另一類是軟實(shí)時(shí)（Soft Real-time）。硬實(shí)時(shí)要求必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)并且一定的可靠性和精度。軟實(shí)時(shí)則要求任務(wù)盡可能地快地完成，但不一定在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。
2. 多樣性與靈活性展示
在Linux系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和實(shí)時(shí)調(diào)度算法之外，還有以下幾種進(jìn)程調(diào)度方式，其中的靈活性和多樣性更是體現(xiàn)出Linux的優(yōu)勢(shì)。
(1) CFS調(diào)度算法
CFS全稱Completely Fr Scheduler，中文名稱是完全公平調(diào)度器。它是Linux內(nèi)核中早期的全新調(diào)度器，主要針對(duì)多核環(huán)境下的輪流分派CPU資源問題，并將關(guān)注的對(duì)象從進(jìn)程轉(zhuǎn)向線程，因此它的最小調(diào)度單位是線程。該調(diào)度器有三個(gè)特點(diǎn)：
其一，基于時(shí)間片。時(shí)間切片會(huì)按照進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比例分配。
其二，進(jìn)程調(diào)度優(yōu)先級(jí)不算像其他調(diào)度器那般重要。調(diào)度器會(huì)試著維持速率將進(jìn)程轉(zhuǎn)移到不同的核心中。
其三，CFS 實(shí)現(xiàn)公平調(diào)度的機(jī)制是基于當(dāng)前活動(dòng)進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時(shí)間比值。
(2) MCG調(diào)度算法
MCG全稱Mixed-Criticality Guarantee，中文名稱是混合型嚴(yán)格調(diào)度器，是Linux上面一種全新的實(shí)時(shí)調(diào)度器。這種調(diào)度器比普通實(shí)時(shí)調(diào)度器更加嚴(yán)格，它通過在硬實(shí)時(shí)區(qū)域中保持全嚴(yán)格實(shí)時(shí)保障來消除混雜型系統(tǒng)帶來的難題。該調(diào)度器滿足多個(gè)嚴(yán)格實(shí)時(shí)應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)系統(tǒng)中，但必須確保相互不干擾。
多單元調(diào)度架構(gòu)是MCG調(diào)度器的重要特點(diǎn)。該調(diào)度機(jī)制在系統(tǒng)中有多個(gè)實(shí)時(shí)單位，并以不同的方式進(jìn)行調(diào)度。
(3) NOVA調(diào)度算法
NOVA調(diào)度算法是一種使用優(yōu)先級(jí)和均衡調(diào)度在單個(gè)線程上執(zhí)行的實(shí)時(shí)多線程調(diào)度器，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高Linux并行執(zhí)行的吞吐量。在NOVA調(diào)度器中，進(jìn)程的調(diào)度是基于線程組，每個(gè)線程組都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，并且線程組中的所有線程都有相同的優(yōu)先級(jí)，這樣可以簡(jiǎn)化調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)。
(NOVA &) Multipath IO
NOVA（Network over VMware Architecture）算法基于線程組的調(diào)度，構(gòu)造“hyper-thread”的調(diào)度機(jī)制，它有以下兩個(gè)特點(diǎn)：
其一，NOVA調(diào)度器的最小調(diào)度單位是線程組，可以很好地避免線程間的競(jìng)爭(zhēng)，提高調(diào)度效率。
其二，它可以根據(jù)CPU負(fù)載情況自適應(yīng)地調(diào)整線程組的優(yōu)先級(jí)和CPU占用量，以提高系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。
3.
Linux之所以能夠成功，其靈活性和多樣性必不可少。Linux對(duì)調(diào)度算法進(jìn)行了優(yōu)化，使得其具有更高的靈活性，多樣性和適應(yīng)性。同時(shí)，Linux也為不同的環(huán)境提供不同的調(diào)度算法，以確保適用性。Linux由于Modular（可模塊化），Portability（可移植性），以及Open Source（開源）等特點(diǎn)，使得它在各個(gè)領(lǐng)域中受到追捧，成為不可替代的操作系統(tǒng)之一。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux進(jìn)程調(diào)度的三種策略是什么？
linux進(jìn)程調(diào)度的三種策略是什么？
進(jìn)程調(diào)度策略就是調(diào)度系統(tǒng)種哪一個(gè)進(jìn)程來CPU運(yùn)行。這種調(diào)度分2層考慮。 之一層，進(jìn)程狀態(tài)這個(gè)是更優(yōu)先考慮的，也就是說優(yōu)先級(jí)更高的。在linux中只有就緒態(tài)的進(jìn)程才有可能會(huì)被調(diào)度選中然后占有CPU，其它狀態(tài)的進(jìn)程不可能占有的到CPU。下面是linux中進(jìn)程的狀態(tài)TASK_RUNNING:就緒狀態(tài)，得到CPU就可以運(yùn)行。
TASK_INTERRUPTIBLE:淺度睡眠，資源到位或者受到信號(hào)就會(huì)變成就緒態(tài)。
TASK_UNINTERRUPTIBLE:深度睡眠，資源到位就會(huì)進(jìn)入就緒態(tài)，不響應(yīng)信號(hào)。
TASK_ZOMBIE：僵死態(tài)，進(jìn)程exit后。
TASK_STOPPED：暫停態(tài)，收到SIG_CONT信號(hào)進(jìn)入就緒態(tài)。 第二層，其實(shí)真正在操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，就是所有就緒態(tài)進(jìn)程鏈接成一個(gè)隊(duì)列，進(jìn)程調(diào)度時(shí)候只會(huì)考慮這個(gè)隊(duì)列中的進(jìn)程，對(duì)其它的進(jìn)程不考慮，這就實(shí)現(xiàn)了之一層中的要求。接下來就是就緒隊(duì)列內(nèi)部各個(gè)進(jìn)程的競(jìng)爭(zhēng)了。 Linux采用3種不同的調(diào)度政策，SCHED_FIFO（下面簡(jiǎn)寫成FIFO，先來先服務(wù)），SCHED_RR（簡(jiǎn)寫成RR，時(shí)間片輪流），SCHED_OTHER（下面簡(jiǎn)寫成OTHER）。這里大家就能看出一個(gè)問題，采用同等調(diào)度政策的進(jìn)程之間自然有可比性，Linux3種調(diào)度政策并存，那么不同調(diào)度政策間的進(jìn)程如何比較呢？可以說他們之間根本就沒有可比性。其實(shí)在調(diào)度時(shí)候，調(diào)度只看一個(gè)指標(biāo)，那就是各個(gè)進(jìn)程所具有的權(quán)值，權(quán)值更大的且在可執(zhí)行隊(duì)列中排慶祥在最前面的就會(huì)被調(diào)度執(zhí)行。而權(quán)值的計(jì)算才會(huì)設(shè)計(jì)到各方面因素，其中調(diào)度政策可以說在計(jì)算權(quán)值中，份量是最重的。 為什么Linux要這么干呢？這是由于事務(wù)的多樣性決定的，進(jìn)程有實(shí)時(shí)性進(jìn)程和非實(shí)時(shí)性的進(jìn)程2種，F(xiàn)IFO和RR是用來支持實(shí)時(shí)性進(jìn)程的調(diào)度，我們看一下這3種政策下權(quán)值的計(jì)算公式就明白了：FIFO和RR計(jì)算公式，權(quán)值=1000+進(jìn)程真正的運(yùn)行時(shí)間OTHER計(jì)算公式，當(dāng)時(shí)間片為0時(shí)，權(quán)值=0.當(dāng)時(shí)間片不為0時(shí)候，權(quán)值=剩余時(shí)間片+20-nice,同時(shí)如果是內(nèi)核線程有+1的小加分，這是因?yàn)閮?nèi)核線程無需用戶空間的切換，所以給它加了一分，獎(jiǎng)勵(lì)他在進(jìn)程切換時(shí)候開銷小的功勞。時(shí)間片好理解，那么nice這個(gè)值，用過linux系統(tǒng)的人都知道晌差培，這是一個(gè)從unix下繼承過來的概念，表示謙讓度，是一個(gè)從20～-19的數(shù)，可以通過nice和renice指令來設(shè)置。從代碼中也能看到值越小就越不會(huì)謙讓他人。 從這里我們看出FIFO和RR至少有1000的基數(shù)，所以在有FIFO和RR調(diào)度政策進(jìn)程存在時(shí)，OTHER進(jìn)程是沒有機(jī)會(huì)被調(diào)度的到的。從權(quán)值計(jì)算公式同時(shí)也能看出，F(xiàn)IFO先來先服務(wù)的調(diào)度政策滿足了，但RR這個(gè)時(shí)間片輪流的調(diào)度如果按照這種權(quán)值計(jì)宴唯算是不能滿足時(shí)間片輪流這一概念的。這里只是權(quán)值的計(jì)算，在調(diào)度時(shí)候?qū)R政策的進(jìn)程特殊處理。 以上都是權(quán)值計(jì)算，下面看看真正的調(diào)度過程，首先是對(duì)RR政策進(jìn)程的特殊處理，如果當(dāng)前進(jìn)程采用的RR政策，那么看他的時(shí)間片是否用完，用完了就踢到就緒隊(duì)列尾部，同時(shí)恢復(fù)他的時(shí)間片。然后是便利整個(gè)就緒隊(duì)列，找到之一個(gè)權(quán)值更大的進(jìn)程來運(yùn)行。 整體調(diào)度效果就是：如果有FIFO和RR政策的進(jìn)程，就優(yōu)先調(diào)度他們2個(gè)，他們之間看已執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)短決定勝負(fù)，而2種政策內(nèi)部則遵守各自調(diào)度政策。而OTHER只有在前面2種不存在于就緒隊(duì)列時(shí)候才有可能執(zhí)行，他們實(shí)際也是輪流執(zhí)行，但他們之間是靠剩余時(shí)間和NICE值來決定勝負(fù)。同時(shí)就緒隊(duì)列中排在最前面的更優(yōu)先考慮在同樣權(quán)值情況下。
linux內(nèi)核的三種主要調(diào)度策略：
1，SCHED_OTHER 分時(shí)調(diào)度策略，
2，SCHED_FIFO實(shí)時(shí)調(diào)度策略，先到先服務(wù)
3，SCHED_RR實(shí)時(shí)調(diào)度策略，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)
實(shí)時(shí)進(jìn)程將得到優(yōu)先調(diào)用，實(shí)時(shí)進(jìn)程根據(jù)實(shí)時(shí)
優(yōu)先級(jí)
決定調(diào)度權(quán)值。分時(shí)進(jìn)程則通過nice和counter值決定權(quán)值，nice越小，counter越大，被調(diào)度的汪廳概率越大，也就是曾經(jīng)使用了cpu最少的進(jìn)程將會(huì)得到優(yōu)先調(diào)度。
SHCED_RR和SCHED_FIFO的不同：
當(dāng)采用SHCED_RR策略的進(jìn)程的時(shí)間片用完，系統(tǒng)將重新分配時(shí)間片，并置于就緒隊(duì)列尾。放在隊(duì)列尾保證了所有具有相同優(yōu)先級(jí)的RR任務(wù)的調(diào)度公平。
SCHED_FIFO一旦占用cpu則一直運(yùn)行。一直運(yùn)行直到有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)到達(dá)或自己放棄。
如果有相同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程（根據(jù)優(yōu)先級(jí)計(jì)算的調(diào)度權(quán)值是一樣的）已經(jīng)準(zhǔn)備好，F(xiàn)IFO時(shí)必須等待該進(jìn)程主動(dòng)放棄后才可以運(yùn)行這個(gè)優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)。而RR可以讓每個(gè)任務(wù)都執(zhí)行一段時(shí)間。
相同點(diǎn)：
RR和FIFO都只用于實(shí)時(shí)任務(wù)。
創(chuàng)建時(shí)優(yōu)先級(jí)大于0(1-99)。
按照可搶占優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法進(jìn)行。
就緒態(tài)的實(shí)時(shí)任務(wù)立即搶占非實(shí)時(shí)任務(wù)。
所旅陵如有任務(wù)都采用linux分時(shí)調(diào)度策略時(shí)：
1，創(chuàng)建任務(wù)指定采用分時(shí)調(diào)度策略，并指定優(yōu)先級(jí)nice值(-20~19)。
2，將根據(jù)每個(gè)任務(wù)的nice值確定在cpu上的執(zhí)行時(shí)間(counter)。
3，如果沒有等待資源，則將該任務(wù)加入到就緒隊(duì)列中。
4，調(diào)度程序遍歷就緒隊(duì)列中的任務(wù)，通過對(duì)每個(gè)任務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的計(jì)算權(quán)值(counter+20-nice)結(jié)果，選擇計(jì)算結(jié)果更大的一個(gè)去運(yùn)行，當(dāng)這個(gè)時(shí)間片用完后(counter減至0)或者主動(dòng)放棄cpu時(shí)，該任務(wù)將被放在就緒隊(duì)列末尾(時(shí)間片用完)或等待隊(duì)列(因等待資源而放棄cpu)中。
5，此時(shí)調(diào)度程序重復(fù)上面計(jì)算過程，轉(zhuǎn)到第4步。
6，當(dāng)調(diào)度程序發(fā)現(xiàn)所有就緒任務(wù)計(jì)算所得的權(quán)值都為不大于0時(shí)，重復(fù)第2步。
所有任務(wù)都采用FIFO時(shí)：
1，創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)指定采用FIFO，并設(shè)置實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)rt_priority(1-99)。
2，如果沒有等待資源，則將該任務(wù)加入到就緒隊(duì)列中。
3，調(diào)度程序遍歷就緒隊(duì)列，根據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)計(jì)算調(diào)度權(quán)值(1000+rt_priority),選擇權(quán)值更高的任務(wù)使用cpu，該FIFO任務(wù)將一直占有cpu直到有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒(即使優(yōu)先級(jí)相同也不行)或者主動(dòng)放棄(等待資源)。
4，調(diào)度程序發(fā)現(xiàn)有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)到達(dá)(高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可能被中斷或定時(shí)器任務(wù)喚醒，再或被當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)喚醒，等等)，則調(diào)度程序立即在當(dāng)前任務(wù)
堆棧
中保存當(dāng)前cpu
寄存器
的所有數(shù)據(jù)，重新從高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧中加載寄存器數(shù)據(jù)到cpu，此時(shí)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)開始運(yùn)行。重復(fù)第3步。
5，如果當(dāng)前任務(wù)因等待資源而主動(dòng)放棄cpu使用權(quán)，則該任務(wù)將從就緒隊(duì)列中刪除，加入等待隊(duì)列，此時(shí)重復(fù)第3步。
所有任務(wù)都采用RR調(diào)度策略時(shí)：
1，創(chuàng)建任務(wù)時(shí)指定調(diào)度參數(shù)為RR，并設(shè)置任務(wù)的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)和nice值(nice值將會(huì)轉(zhuǎn)換為該任務(wù)的時(shí)間片的長(zhǎng)度)。
2，如果沒有等待資源，則將該任務(wù)加入到就緒隊(duì)列中。
3，調(diào)度程序遍歷就緒隊(duì)列，根據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)計(jì)算調(diào)度權(quán)值(1000+rt_priority),選擇權(quán)值更高的任務(wù)使用cpu。
4，如果就緒隊(duì)列中的RR任務(wù)時(shí)間片為0，則會(huì)根據(jù)nice值設(shè)置該任務(wù)的時(shí)間片，同時(shí)將該任務(wù)放入就緒隊(duì)列的末尾。重復(fù)步驟3。
5，當(dāng)前任務(wù)由于等待資源而主動(dòng)退出cpu，則其加入等待隊(duì)列中。重復(fù)步驟3。
系統(tǒng)中既有分時(shí)調(diào)度，又有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和先進(jìn)先出調(diào)度：
1，RR調(diào)度和FIFO調(diào)度的進(jìn)程屬于實(shí)時(shí)進(jìn)程，以分時(shí)調(diào)度的進(jìn)程是非實(shí)時(shí)進(jìn)程。
2，當(dāng)實(shí)時(shí)進(jìn)程準(zhǔn)備就緒后，如果當(dāng)前cpu正在運(yùn)行非實(shí)時(shí)進(jìn)程，則實(shí)時(shí)進(jìn)程立即搶占非實(shí)時(shí)進(jìn)程。
3，RR進(jìn)程和FIFO進(jìn)程都采用實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)做為調(diào)度的權(quán)值標(biāo)準(zhǔn)，RR是FIFO的一個(gè)延伸。FIFO時(shí)，如果兩個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)一樣，則這兩個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的進(jìn)程具體執(zhí)行哪一個(gè)是由其在隊(duì)列拆啟中的未知決定的，這樣導(dǎo)致一些不公正性(優(yōu)先級(jí)是一樣的，為什么要讓你一直運(yùn)行?),如果將兩個(gè)優(yōu)先級(jí)一樣的任務(wù)的調(diào)度策略都設(shè)為RR,則保證了這兩個(gè)任務(wù)可以循環(huán)執(zhí)行，保證了公平。
Ingo Molnar-實(shí)時(shí)補(bǔ)丁
為了能并入主流內(nèi)核，Ingo Molnar的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁也采用了非常靈活的策略，它支持四種搶占模式：
1．No Forced Preemption (Server)，這種模式等同于沒有使能搶占選項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，主要適用于科學(xué)計(jì)算等服務(wù)器環(huán)境。
2．Voluntary Kernel Preemption (Desktop)，這種模式使能了自愿搶占，但仍然失效搶占內(nèi)核選項(xiàng)，它通過增加搶占點(diǎn)縮減了搶占延遲，因此適用于一些需要較好的響應(yīng)性的環(huán)境，如桌面環(huán)境，當(dāng)然這種好的響應(yīng)性是以犧牲一些吞吐率為代價(jià)的。
3．Preemptible Kernel (Low-Latency Desktop)，這種模式既包含了自愿搶占，又使能了可搶占內(nèi)核選項(xiàng)，因此有很好的響應(yīng)延遲，實(shí)際上在一定程度上已經(jīng)達(dá)到了軟實(shí)時(shí)性。它主要適用于桌面和一些
嵌入式系統(tǒng)
，但是吞吐率比模式2更低。
4．Complete Preemption (Real-Time)，這種模式使能了所有實(shí)時(shí)功能，因此完全能夠滿足軟實(shí)時(shí)需求，它適用于延遲要求為100微秒或稍低的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)是以犧牲系統(tǒng)的吞吐率為代價(jià)的，因此實(shí)時(shí)性越好，系統(tǒng)吞吐率就越低。
關(guān)于linux進(jìn)程調(diào)度方式的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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文章出自：http://www.dlmjj.cn/article/djephgc.html
