linux 进程调度 [分章]算法

首先，从不同的角度，可以对运行中的进程分类。

如，从资源耗损的角度，可以分为I/O受限（频繁使用I/O设备）和CPU受限（需要大量的CPU计算）。

又如，从运行模式上，可以分为交互式进程（需要大量的时间等待用户的键盘和鼠标指令，同时进程需要在指令到达后被尽快唤醒），批处理进程（如编译程序，数据库等），实时进程（如软件codec，编码对实时性要求很高）。

还如，从在内核中被调度的方式上，可以分为FIFO（实时进程），RR（时间片轮转实时进程）， NORMAL（普通进程）

然后，再来了解一下进程在声明周期中的状态。

1，可运行状态（TASK_RUNING）

进程要么是在CPU上执行，要么准备执行，所以实际上这个状态包括运行中（RUNNING）和准备好了（READY）两个状态

2，可中断的等待状态（TASK_INTERRUPTIBLE）

进程被挂起，直到某个条件或者时间满足（硬件中断/进程等待资源被释放/传递给进程一个信号）变为TASK-RUNNING。

3，不可中断的等待状态（TASK-UNINTERRUPTIBLE）

与2类似，不同的是信号无法迁移其状态，少用。

4，暂停状态（TASK_STOPPED）

进程在收到SIGSTOP,SIGTSTP,SIGTTIN,SIGTTOU信号后，进入此状态，执行被暂停。

5，跟踪状态(TASK_TRACED)

进程的执行由debugger暂停。

6，僵尸状态（EXIT_ZOMBIT）

进程执行被终止，但是资源还未被父亲（如果父亲已经推出，则由init进程）回收。

7，僵死撤销状态（EXIT_DEAD）

对于已经终止的进程，资源已经被父亲或init回收，进程已经被删除，为防止其他执行线程回收此进程，故设置此状态。

具体的状态切换见下图：

进程调度：

1，Linux的进程调度基于分时技术：多个进程以“时间多路复用”方式运行，也就是我们常说的时间片。时间片的长短采取折衷机制，即尽量减少对系统响应的影响，同时又降低进程切换的开销。

2，进程的优先级是动态的，尽管确实有静态优先级的存在。

3，linux的进程是抢占式的，如果进入TASK_RUNNING状态且优先级比当前运行的进程高，当前进程被终止，将CPU交给更高优先级的进程。同时自己的TIF_NEED_RESCHED被设置，以便时钟中断处理程序终止时调度程序被正常调用。需要指出的是被抢走CPU的进程仍然是TASK_RUNNING状态，知识出于READY的子状态。

调度算法：

一个调度算法机制对于计算机的运行时状态影响是非常大的。

在早期的内核版本上，每次进程切换时，内核扫描可运行的task链表，计算优先级，然后选择最佳task运行，如果处于可运行的task太多，这个算法耗费的时间就很多，因为这个task选择的复杂度是O(n)。

在2.6内核上，对于O(n)task选择算法做了重大改进，基于runqueue，每个cpu都有自己的运行队列，这个队列里面有组织好的task结构，可以再常数时间O(1)内找个下一个得到cpu执行权限的task。

在2.6.23版本之后，O(1)被CFS（Completely Fire Scheduler），这个调度器的复杂度为O(logn)。

在文章的最开头，便介绍了从调度类型上讲，进程可分为实时（又包括全实时和基于时间片的实时进程）和非实时进程。

linux虽然不是标准的RTOS，但是也有实时性的需要（比如，个人曾经参与过一个系统的开发，一个ARM双核的处理器分别跑的一个RTOS t-kernel和linux，经常会出现linux数据发送调度不上，导致RTOS饿死的现象，后来改为FIFO的就好多了），因此内核对实时性进程也有支持。

1，普通进程的调度。

每个普通进程都有自己的静态优先级（从100最高到139最低，缺省120），这是它被调度器评估是否能暂用CPU的一个指标，但是，请注意，不是全部指标。

与这个静态优先级和另外一个叫做nice（-20到19）值的玩意儿对应，可以通过修改task的nice，可以改变其优先级，进而该表其拿到的时间片。

进程基本时间片与优先级的关系如下：

静态优先级大于等于120：时间片 = （140 - 静态优先级）* 5

静态优先级小于120：       时间片 = （140 - 静态优先级）* 20

从上面公式可以看到静态优先级越小，拿到的时间片越多。

优先级、nice值、基本时间片和睡眠时间极限值对应关系见下表

说明静态优先级nice基本时间片最大睡眠时间最高静态优先级100-20800ms299ms高静态优先级110-10600ms499ms默认静态优先级1200100ms799ms低静态优先级1301050ms999ms最低静态优先级139195ms1199ms

这里要插一句，为什么时间片会影响运行呢，因为调度器将进程分为活动进程和过期进程。

为了防止低优先级得不到cpu，在当一个进程用完所有时间片后，他就从活动变成了过期，过期进程不参与调度，从而让低优先级的任务也得到调度。

上面提到了“静态优先级只是能否被调度上的一个指标，而不是全部”，那剩下的是什么呢？

NORMAL进程除了静态优先级之外，还有动态优先级，其范围同样是100（最高）到139（最低）。

静态优先级是用来基于task能获得的时间片，而动态优先级是值调度器在选择进程是直接使用的依据。

在介绍动态优先级的计算之前，先来了解一个叫做bonus的数（年终了，看见这个单词总是有点激动啊）

bonus是范围从0到10的值，以5为分割线，分别表示奖励（大于）或者惩罚（大于），这个奖励惩罚来源于该task过去的运行状态，即其睡眠时间。

动态优先级计算法公式：

动态优先级 = Max（100， min（静态优先级 - bonus + 5，139））

2，实时进程的调度

实时进程也有一个优先级，叫做实时优先级（从1到99,1最高，99最低）。有更高优先级的实时task在执行时，并且严格按照优先级来执行，所以，低优先级是无法执行的，实时进程一直是活动进程。

实时进程只有在以下三种情况让出CPU：

a，有更好优先级的实时进程产生或者激活。

b，自己shced_yield让出cpu

c，进程退出或被杀。

d，执行了阻塞操作进入睡眠等待唤醒

e，如果是带时间片的实时，时间片用完。

PS：对于带时间片的实时进程，即拥有实时优先级，又拥有静态优先级，修改nice值只会改变其拥有的时间片大小，不修改其实时优先级。