Linux进程调度

进程状态

进程调度就是让进程从一种状态切换到另一种状态。Linux中进程的主要状态如下，

值	状态	缩写	含义
0	TASK_RUNNING	R	正在运行或可运行
1	TASK_INTERRUPTIBLE	S	可中断的休眠
2	TASK_UNINTERRUPTIBLE	D	不可中断的休眠
4	__TASK_STOPPED	T	停止状态，当进程接收到SIGSTOP等signal信息
8	__TASK_TRACED	t	跟踪状态，进程被debugger程序暂停，比如使用ptrace()调试
16	EXIT_ZOMBIE	Z	僵尸状态，进程结束时调用do_exit()先进入僵尸状体
32	EXIT_DEAD	X	死亡状态，父进程使用waitpid()或wait4()回收死亡的子进程后，状态由EXIT_ZOMBIE转换为EXIT_DEAD

下图粗略的展示了进程状态的切换，可以更加直观的理解各种进程状态。

上图中需要补充说明的是，进程正在”占有CPU执行“时应该处于TASK_RUNNING状态。EXIT_ZOMBIE状态应该是很短暂的，父进程需要使用wait类系统调用回收子进程，回收后进程状态就转变为EXIT_DEAD，如果父进程一直不回收，子进程就变为僵尸进程。__TASK_TRACED状态只有在使用debugger是才会出现，例如使用gdb设置断点，进程在断点上暂停时就处于跟踪状态。

调度器

系统中包含许多进程，内核有责任让所有进程都得到运行，并让重要的进程获得更多的运行。这就需要一种机制管理所有的进程，在内核中安排进程执行的模块被称为调度器（scheduler）。

• 调度器从处于就绪状态的进程中挑选一个，并分配CPU时间片让它运行。
• 当进程运行的时间片耗尽时，调度器会将其转换为就绪状态，插入到准备执行的进程队列。
• 进程在放弃CPU进入睡眠或暂停状态后，如果被唤醒，调度器也会将其插入到准备队列。

所以，调度器将解决两个核心的问题：分配合适的时间片和合理安排进程执行顺序。最原始的调度策略是按照优先级排列好进程，等到一个进程运行完了再运行优先级较低的一个，但这种策略完全无法发挥多任务系统的优势。因此，随着时间推移，操作系统的调度器也多次进化。

Linux 2.4内核推出了O(n)调度器，O(n)调度器把时间分成大量的微小时间片（Epoch）。在每个时间片开始的时候，调度器会检查所有处在就绪状态的进程。调度器计算每个进程的优先级，然后选择优先级最高的进程来执行。一旦被调度器切换到执行，进程可以不被打扰地用尽这个时间片。如果进程没有用尽时间片，那么该时间片的剩余时间会增加到下一个时间片中。O(n)调度器在每次使用时间片前都要检查所有就绪进程的优先级。这个检查时间和进程中进程数目n成正比，这也正是该调度器复杂度为O(n)的原因。当计算机中有大量进程在运行时，这个调度器的性能将会被大大降低。

为了解决O(n)调度器的性能问题，O(1)调度器被发明了出来，并从Linux 2.6内核开始使用。O(1)调度器的创新之处在于，它会把进程按照优先级排好，放入特定的数据结构中。在选择下一个要执行的进程时，调度器不用遍历进程，就可以直接选择优先级最高的进程。O(1)调度器会用两个队列来存放进程。一个队列称为活跃队列，用于存储那些待分配时间片的进程。另一个队列称为过期队列，用于存储那些已经享用过时间片的进程。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出一个进程。这个进程用尽时间片，就会转移到过期队列。当活跃队列的所有进程都被执行过后，调度器就会把活跃队列和过期队列对调，用同样的方式继续执行这些进程。

Linux 2.6.23版本起，完全公平调度器（CFS，Completely Fair Scheduler）取代了O(1)调度器。CFS调度器不对进程进行任何形式的估计和猜测。这一点和O(1)区分互动和非互动进程的做法完全不同。CFS调度器增加了一个虚拟运行时（virtual runtime）的概念。每次一个进程在CPU中被执行了一段时间，就会增加它虚拟运行时的记录。在每次选择要执行的进程时，不是选择优先级最高的进程，而是选择虚拟运行时最少的进程。完全公平调度器用一种叫红黑树的数据结构取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树可以高效地找到虚拟运行最小的进程。CFS调度器会根据进程的优先级来计算一个时间片因子。同样是增加250纳秒的虚拟运行时，优先级低的进程实际获得的可能只有200纳秒，而优先级高的进程实际获得可能有300纳秒。这样，优先级高的进程就获得了更多的计算资源。

进程优先级

进程优先级影响调度器的时间片分配和进程执行顺序。Linux根据进程特性，在优先级上把进程分为两大类：实时进程和普通进程。

• 实时进程（Real-Time Process）：优先级高、需要尽快被执行的进程。它们一定不能被普通进程所阻挡，例如视频播放、各种监测系统。
• 普通进程（Normal Process）：优先级低、更长执行时间的进程。例如文本编译器、批处理一段文档、图形渲染。

实时进程也并不是真正的实时，同样需要经过进程调度，只是会先级于普通进程运行。进程的优先级是一个0到139的整数。数字越小，优先级越高。其中，优先级0到99留给实时进程，100到139留给普通进程。普通进程的默认优先级时120，可以通过nice命令来修改进程的默认优先级。下面的命令表示将默认优先级改为（120-20）。

$nice -n -20 ./app

普通进程的默认优先级称为静态优先级，进程运行时实际采用的是动态优先级。调度程序通过增加或减少进程静态优先级的值来奖励IO消耗型进程或惩罚cpu消耗型进程，调整后的优先级称为动态优先级。动态优先级的计算公式如下。

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

bonus是范围0～10的值，值小于5表示降低动态优先级以示惩罚，值大于5表示增加动态优先级以示奖赏。

调度策略

Linux系统中，实时进程和普通进程采取了不同的调度策略。实时进程使用是实时调度策略，有三种：SCHED_FIFO，SCHED_RR，SCHED_DEADLINE。

• SCHED_FIFO：先进先出的实时进程。当调度器把CPU分配给进程的时候，它把该进程描述符保留在运行队列链表的当前位置。如果没有其他可运行的更高优先级实时进程，进程就继续使用CPU，想用多久就用多久，即使还有其余具有相同优先级的实时进程处于可运行状态。由RT调度器实现。
• SCHED_RR：时间片轮转实时进程。当调度程序把CPU分配给进程的时候，它把该进程的描述符放在运行链表的末尾。这种策略保证对所有具有相同时间优先级的SCHED_RR实时进程公平地分配CPU时间。由RT调度器实现。
• SCHED_DEADLINE：新支持的实时进程调度策略，针对突发型计算，且对延迟和完成时间高度敏感的任务适用。基于Earliest Deadline First (EDF) 调度算法。由DL调度器实现。

实时进程使用0~99的优先级，就绪进程使用队列的方式组织。相同优先级的实时进程都保存在一个列表中，再根据优先级排列起来。调度器总是先选取优先级最高的进程来运行。实时进程在下列情况下可以让出CPU，

• 进程被更高优先级的实时进程抢占。
• 进程进入休眠状态或暂停状态。
• 进程调用sched_yield()自愿放弃CPU。
• 使用SCHED_RR策略时，进程的时间片耗光。

普通进程的调度策略有三种，由CFS调度器实现，分别是：SCHED_NORMAL，SCHED_BATCH，SCHED_IDLE。

• SCHED_NORMAL：（也叫SCHED_OTHER）用于普通进程，通过CFS调度器实现。
• SCHED_BATCH：SCHED_NORMAL策略的分化版本，采用分时策略，根据动态优先级分配CPU运算资源。
• SCHED_IDLE：优先级最低，在系统空闲时才跑这类进程。

调度设置函数

Linux进程调度的介绍就简单说这些，主要是概念普及，实用为主。下面简单列举一下调度相关的函数。

• nice()：调整普通进程的优先级，nice值从-20到19。
• getpriority()/setpriority()：获取/设置线程的优先级。
• sched_getscheduler()/sched_setscheduler()：获取/设置线程的调度策略。
• sched_getparam()/sched_getparam()：获取/设置线程的调度参数，参数由struct sched_param描述。
• sched_get_priority_max()/sched_get_priority_min()：获取指定策略的最大/最小优先级。
• sched_rr_get_interval()：获取SCHED_RR策略下实时进程的时间片长度。
• sched_getattr()/sched_setattr()：获取/设置调度策略和属性。这个接口是其他调度函数的超集。
• sched_getaffinity()/sched_setaffinity()：获取/设置线程的CPU亲和性（affinity）。
• sched_yield()：当前线程主动让出CPU，让其他线程执行。

Affinity表示CPU的亲和性，就是让进程在指定的CPU上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器，也称为CPU关联性。再简单的点的描述就将指定的进程或线程绑定到相应的CPU上。在多核运行的机器上，每个CPU本身自己会有缓存，缓存着进程使用的信息。如果进程被调度到其他CPU上，cache命中率就会降低。当绑定CPU后，程序就会一直在指定的CPU上运行，不会被调度到其他CPU上，可以提高性能。

参考文章：

调度器简介，以及Linux的调度策略
进程描述及其生命周期
Linux进程的管理与调度(十七）