Linux2.6进程调度分析(1)-调度策略

 

对于分时操作系统而言，表面上看起来是多个进程同时在执行，而在系统内部则进行着从一个进程到另一个进程的切换动作。这样的进程并发执行涉及到进程切换（process switch）和进程调度（process scheduling）两大问题。本文主要说明Linux2.6中的普通进程调度策略（实时进程和普通进程在调度上稍有不同）问题，即系统何时进行进程切换以及选择哪一个进程进行切换。

1.调度策略

理想的进程调度目标应该是：进程响应时间尽可能的快，后台作业吞吐量高，避免某些进程出现饥饿现象，包括低优先级在内的所有进程都有被调度的可能。由此看来，进程调度的工作就是要处理好这几个方面的协调关系，使进程调度的综合性能达到最佳。

与进程调度最为密切的因素是进程的优先级，进程优先级通过一个数值来实现，每个进程都与一个值相关联。调度程序根据进程的优先级将CPU适当的分配给某一个进程。进程的优先级又跟进程的许多因素有关，接下来我们将依次分析这些因素与进程优先级的关系。

1.1进程的分类

进程可以被分为两种类型：I/O消耗型和CPU消耗型。前种类型的进程频繁使用I/O设备，并且大部分时间处于等待状态，以得到新的I/O请求，比如键盘活动等。后一种类型的进程则大部分时间都在占用CPU，对I/O设备并没有过多的需求。

为了使系统有较强的响应能力，I/O消耗型进程必须很快能被唤醒，以实现进程的切换。否则，用户会感到系统反应迟钝。对于CPU消耗型进程，由于它们常常位于后台运行，并且没有过多的I/O需求，因此系统并不需要对这类进程做出快速反应。

正如上面所说的，调度程序通常要处理好这两类进程之间的调度关系：系统既要有迅速的响应能力，又要有最大的CPU利用率（高吞吐量）。这种满足关系其实是矛盾的，如果系统要达到最大利用率，那么CPU就会被一直占用，这样就不能对I/O请求做出迅速响应。调度程序为了调和这种冲突，通常会倾向于I/O消耗型进程。也就是说，调度程序会优先调用这类进程以提高系统的响应能力，而尽量将CPU消耗型进程压后执行。但这并不意味着这类进程就被调度程序忽略。

1.2时间片

Linux的调度是基于分时技术的，多个进程以“时间多路复用”的形式运行，CPU的时间被划分成一小段，即所谓的时间片（slice）。每个进程都会得到一个时间片，在具体某个时间片内，一个进程会独享CPU时间。如果该进程在这个时间片内没有运行完毕，调度程序就会切换该进程使得其他拥有时间片的进程运行。

时间片的划分对系统来说也是一件难事，既不能过长又不能过短。过长的时间片会导致系统的响应能力下降；而过短的时间片会导致系统频繁发生进程切换，由此将带来不必要的处理器消耗。显然，I/O消耗型进程希望时间片越短越好，这样那些等待I/O的进程就能被迅速切换；而CPU消耗型进程则希望时间片越长越好，这样它们就可以一直占用CPU。因此，I/O消耗型进程和CPU消耗型进程的矛盾再一次显现出来。

Linux调度程序解决这种矛盾的方法是，提供一个较长的默认时间片，但是却提高交互进程的优先级，以使得这些进程运行的更频繁。

1.3优先级

我们上面说过，调度程序在选取下一个执行的进程时依据的是进程的优先级。通过上面对进程的划分可以看出，不同类型的进程应该有不同的优先级。每个进程与生俱来（即从父进程那里继承而来）都有一个优先级，我们将其称为静态优先级。普通进程的静态优先级范围从100到139，100为最高优先级，139为最低优先级。

当进程用完了时间片后，系统就会为该进程分配新的时间片（即基本时间片），静态优先级本质上决定了时间片分配的大小。静态优先级和基本时间片的关系如下：

静态优先级<120，基本时间片=max((140-静态优先级)*20, MIN_TIMESLICE)
静态优先级>=120，基本时间片=max((140-静态优先级)*5, MIN_TIMESLICE)

其中MIN_TIMESLICE为系统规定的最小时间片。从该计算公式可以看出，静态优先级越高（值越低），进程得到的时间片越长。其结果是，优先级高的进程会获得更长的时间片，而优先级低的进程得到的时间片则较短。

进程除了拥有静态优先级外，还有动态优先级，其取值范围是100到139。当调度程序选择新进程运行时就会使用进程的动态优先级，动态优先级和静态优先级的关系可参考下面的公式：

动态优先级=max(100 , min(静态优先级 – bonus + 5) , 139)

从上面看出，动态优先级的生成是以静态优先级为基础，再加上相应的惩罚或奖励(bonus)。这个bonus并不是随机的产生，而是根据进程过去的平均睡眠时间做相应的惩罚或奖励。

所谓平均睡眠时间（sleep_avg，位于task_struct结构中）就是进程在睡眠状态所消耗的总时间数，这里的平均并不是直接对时间求平均数。平均睡眠时间随着进程的睡眠而增长，随着进程的运行而减少。因此，平均睡眠时间记录了进程睡眠和执行的时间，它是用来判断进程交互性强弱的关键数据。如果一个进程的平均睡眠时间很大，那么它很可能是一个交互性很强的进程。反之，如果一个进程的平均睡眠时间很小，那么它很可能一直在执行。另外，平均睡眠时间也记录着进程当前的交互状态，有很快的反应速度。比如一个进程在某一小段时间交互性很强，那么sleep_avg就有可能暴涨（当然它不能超过MAX_SLEEP_AVG），但如果之后都一直处于执行状态，那么sleep_avg就又可能一直递减。

理解了平均睡眠时间，那么bonus的含义也就显而易见了。交互性强的进程会得到调度程序的奖励（bonus为正），而那些一直霸占CPU的进程会得到相应的惩罚（bonus为负）。其实bonus相当于平均睡眠时间的缩影，此时只是将sleep_avg调整成bonus数值范围内的大小。

参考：

1.深入理解LINUX内核(第三版) ；（美）博韦，西斯特 著； 陈莉君 张琼声 张宏伟译； 中国电力出版社；

2.Linux内核设计与实现；（美）拉芙（Love，R.）著，陈莉君 等译；机械工业出版社；

3.http://edsionte.com/techblog/archives/2838