linux及安全《Linux内核设计与实现》第四章——20135227黄晓妍

第四章 进程调度

• 进程调度程序是一个内核子系统
• 分配有限的处理器时间和资源
• 最大限度利用时间的原则（只要有可执行的进程，那么总会有进程执行）

• 基本工作：从一组处于等待（阻塞）状态的可执行进程中选择一个执行

  4.1多任务

  概念

  能同时并发地交互执行多个程序的操作系统。（单处理机和多处理机上都可以实现）

  多任务

• 抢占式任务
  -进程调度程序能强制挂起正在执行的程序
  -非抢占式任务
  -除非进程自己主动停止运行，否则它一直运行

  4.2Linux的进程调度

• O（1）调度器
  Linux2.5采用的新调度程序：不管输入有多大，调度程序都可以在恒定的时间完成工作。但是它在多交互进程运行的系统中表现不佳。

• CFS完全公平调度程序
  Linux2.6.23开始采用的调度程序。前身是RSDL“反转楼梯最后期限调度算法”。吸取了队列理论，加入了公平调度的概念。

  4.3策略

  调度程序的策略决定在何时让什么进程运行

  4.3.1I/O消耗型和处理器消耗型的进程

  进程可以分为两类：

• I/O消耗型
  经常处于可运行的状态，花更多的时间等待I/O请求。满足这类进程，可以提高系统的响应速度，有更好的用户体验。
• 处理器消耗型
  大多数时间花在执行代码上。满足这类进程，策略往往是降低它们调度的频率，延长运行时间。

• 调度策略
  需要在这两类矛盾的目标中寻找平衡：响应迅速和最大系统吞吐量。

  4.3.2进程优先级

  优先级调度算法：优先级高的先执行。相同优先级轮转调度。
  Linux采用两种优先级范围

• nice值。（-20~+19），值越低优先级越高。Mac OS X系统中nice值表示时间片的绝对值；Linux系统中，nice值表示时间片的比例。
  ps -el
  这个命令可以查看系统中的进程列表，NI标记那一列为nice值

• 实时优先级。（0~99），值越高优先级越高。任何适合进程的优先级都高于普通进程。
  ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,time,comm.
  查看进程列表，实时优先级在RTPRIO那一栏。

  4.3.3时间片

  表明进程在被抢占前所能持续运行的时间。

• 一般操作系统设置默认的时间片10ms.一个进程是否能抢占当前进程，由优先级和是否有时间片来决定。

• Linux的CFS（完全公平调度程序）调度器是将使用比划分给进程。这个比例值并不是固定不变的，它还会受nice值来做调整。一个进程是否能抢占当前进程，是由使用比来决定。如果一个进程消耗的使用比比当前进程小，则立刻抢占。

  4.3.4调度策略的活动

  例如文本编辑器和视频处理器，前者是I/O消耗型，后者需要从磁盘读原始数据流，然后处理原始数据流，是CPU消耗型。在Linux系统中，假如这两者是仅有的两个进程，又有相同的nice值，那么它们两得到使用比为50%和50%。文本编辑器更多的时间实在等待用户输入，所以它的时间用得相当少，当它一旦被唤醒的时候，就能立刻抢占视频处理器的进程。这样，系统就能很好的处理响应速度和吞吐量的问题了。

  4.4Linux调度算法

  4.4.1调度器类

• 分类的目的：为了让不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。
• Linux调度器以模块的方式提供，允许动态添加的调度算法共存，调度属于自己范畴的进程，每个调度器有一个优先级，按照优先级遍历，最高的调度器类去选择下一个执行的程序。

• CFS属于普通进程的调度类。

  4.4.2Unix系统中的进程调度

  这是在CFS之前的传统的调度过程。
  Unix系统中，优先级以nice值的形式输出给用户空间。存在以下几个问题：

• nice值直接对应处理器的时间不合理。
• nice值的相对值不合理
• nice值映射时间片，就要求时间片必须是定时器节拍的整数倍。（这点才是引入CFS的原因。）

• 基于优先级的调度器优化交互任务来唤醒进程。给一些进程提供了后门，损害了其他进程的利益。
  在优化传统的调度器的过程中确实解决了很多问题，但是都回避了一个实质性的问题：分配绝对的时间片引发的固定切换频率，给公平性造成了很大的变数。

  4.4.3公平调度

  进程获得的处理器的时间是有nice值得几何加权决定的，分配的是处理器的使用比。这样提高了公平性，CFS不是完美的公平，但是几乎完美的多任务。
  CFS允许每个进程运行一段时间，循环轮转，选择最少的进程作为下一个运行进程。在无限小调度周期设立一个目标（目标延迟），调度周期越小交互性越好。但是切换的代价更高，系统吞吐量能力更差。（例如目标延迟为20ms,2个优先级相同的任务，每个运行10ms）另外设置一个最小粒度，默认为1ms。即每个程序执行的最短时间为1ms.

  4.5Linux调度的实现

  4.6抢占和上下文切换

  上下文切换时，schedule（）会调用函数完成两个任务：

• switch_mm()负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新内存中

• switch_to()负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态。
  内核必须知道什么时候调用schedule，具体方式是使用need_reasched标志。

  4.6.1用户抢占

  以下时机：

• 从系统调用返回用户空间时
• 从中断处理程序返回用户空间时
  -#### 4.6.2内核抢占
• 中断处理程序正在执行，且返回内核空间之前
• 内核代码再一次具有可抢占的时候
• 如果内核中的任务显示地调用schedule()

• 如果内核中的任务阻塞

  4.7实时调度策略

  两种实时策略：（优先级范围0~99）

• SCHED_FIFO先进先出
• SCHED_RR带有时间片的先进先出
  一种非实时策略（优先级范围100~139）

• SCHED_NORMAL