Linux内核进程调度overview(1)

一、概述

　　决定何时、如何选择一个新进程运行的这组规则叫做：调度策略（scheduling policy）。

　　Linux的调度是基于分时技术（time sharing）：多个进程以“时间多路复用”方式运行，因为CPU的时间呗分成“片”（slice），给每个可运行进程分配一片。如果当前运行进程的时间片或时限（quantum）到期时，该进程还没有运行完毕，进程切换就会发生。

　　调度策略也是根据进程的优先级对它们进行分类。在Linux中，进程优先级是动态的：在较长时间内没有运行的进程，会动态提升它们的优先级；相反地，对于在CPU上运行较长时间的进程，会降低它们的优先级来惩罚它们。

　　所以，实现调度的工具是调度器（scheduler），调度的对象是进程(process)，调度的方法是调度策略（包括调度算法）。

二、CPU调度器

这里主要讲了cpu调度器的工作内容和目的：

1. 多个task会共享CPU资源
2. 那如何进行任务切换选择呢？

• • 当前运行的task中止
  • 当前运行的task sleep（wait event）
  • 新task创建，或者sleep的task唤醒了
  • 当前运行的task的时间片用完

那调度器的目标是什么？

1. 公平调度各个task
2. 基于task的优先级来分配时间片
3. task的respnse时间短
4. 高throughput（task执行成功）
5. 在多个cpu间，负载均衡
6. 低功耗
7. 调度器代码运行开销低

调度器会和工作在一些框架、服务器、PC、嵌入式/手机中。

三、O（1）调度器

在2.6.23(2007)以前，Linux调度器使用的是O（1）调度器：

• 调度器分140个优先级等级：0-99是RT task，100-139是User task
• 每个cpu的runqueue有2个数组：Active，Expaired
• 每个数组都有140个entry，对应每个优先级
• 每个entry是一条FIFO队列结构的链表
• 140位的bitmap用来检测每个优先级list
• 时间片会根据task的优先级进行分配
• 运行时间expaire的task会从Active数组移动到Expaired数组
• 当Active数组为空时，就交换2个数组。即，将Expaired数组变为Active；Active（此时为空）变为Expaired
• task的入rq和出rq，以及next task的选择都是在固定时间内完成

最后在O（1）调度器已经被CFS替代。

四、当前调度器架构

• 在kernel 2.6.23(2007)后，由Ingo Molnar引入
• 在调度的class中，还存在调度policy
• 不同的调度class，高优先级的，越早执行
• task可以在cpu、调度policy、调度class间进行迁移

4.1  调度class

由struce sched_class结构体实现：

struct sched_class {
    const struct sched_class *next;
    void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
...
    struct task_struct * (*pick_next_task) (struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf);
...
};

内核中一共有5中调度class，优先级从高到低：STOP > DL > RT > CFS > IDLE，他们通过链表实现，并链接起来的。

4.2  主调度函数Schedule()

内核中进程调度，最主要的实现是Schedule()函数。它完成如下工作：

• 选取下一个runnable的task，并将task放在cpu上运行
• 按class优先级搜索task来运行，最先从STOP class开始
• 轮询搜索：for_each_class()
• 实现方式：pick_next_task()：

again:
    for_each_class(class) {
        p = class->pick_next_task(rq, prev, rf);
        if (p) {
            if (unlikely(p == RETRY_TASK))
                goto again;
            return p;
        }
    }

    /* The idle class should always have a runnable task: */
    BUG();

4.3  调度class与policy

在不同的调度class下，可能会有不同的调度policy实现：

● Stop
　　○ No policy
● Deadline
　　○ SCHED_DEADLINE
● Real Time
　　○ SCHED_FIFO
　　○ SCHED_RR
● Fair
　　○ SCHED_NORMAL
　　○ SCHED_BATCH
　　○ SCHED_IDLE
● Idle
　　○ No policy

不同的class代表不同的调度优先级；不同的policy同样也意味着不同的调度方式。

4.4  调度class：STOP

STOP类型的class有如下特点：

• 是最高优先级的class（但是这个class不开放给系统user使用的）
• 只能在smp系统上可用（stop_machine()在单核处理器下不可用）------括号内的具体没怎么理解
• 可以抢占所有task，并任何事件都不能抢占它
• 实现方式是：停止运行的其他所有task，而在cpu上运行一个特定的函数
• 没有调度policy
• 属于stop class的per cpu内核线程：migration/N ------“N”为cpu core number
• 在以下情况下使用：task迁移、CPU hotplug、RCU、ftrace、cloclevents等

4.5  调度class：Deadline（DL）

Deadline类型的class有如下特点：

• 在kernel 3.14(2013)，由Dario Faggioli & Juri Lelli引入
• 在系统中，属于可以使用的最高优先级的class
• 调度policy为SCHED_DEADLINE
• 由红黑树结构实现（自平衡树）
• 在以下情况下使用：周期性的实时task，例如：视频编解码

4.6  调度Real-time（RT）

Real-time类型的class有如下特点：

• 符合POSIX标准要求
• task优先级范围：0-99
• 优先级在kernel和userspace中相反：0在kernel中，代表最高优先级；而在userspace中代表最低优先级
• 相同优先级下的调度policy：
  • SCHED_FIFO
  • SCHED_RR，默认时间片长度为100ms
• 由链表实现
• 在以下情况下使用：latency敏感的task，例如：IRQ threads

4.7  调度CFS（Completely Fair Scheduler）

CFS类型的class有如下特点：

• 由Ingo Molnar引入
• 调度policy：
  • SCHED_NORMAL：普通task
  • SCHED_BATCH：批处理 task（batch task，非交互型）
  • SCHED_IDLE：低优先级task
• 由红黑树结构实现
• 跟踪task的虚拟运行时间（vruntime，task拥有的运行时间）
• 虚拟运行时间（vruntime）最短的task，最优先运行
• task的优先级作为权重，会影响虚拟运行时间的计算（vruntime）
• 权重越大，虚拟运行时间（vruntime）计算时的增量就越小
• task的优先级计算：120+nice值（nice范围：-20 ~ +19）
• 用于所有其他类型的task，例如：shell

4.7  调度Idle

Idle类型的class有如下特点：

• 最低优先级的调度class
• 没有调度policy
• 属于idle class的per cpu内核线程（idle）：swapper/N ------“N”为cpu core number
• idle线程仅会在没有其他task的情况下，在cpu上运行
• idle线程可以让cpu进入低功耗状态

五、Runqueue

• 每个CPU都由一个struct rq的实例
• 每个”rq“包含了DL、RT、CFS的runqueue
• Runnable的task会被压入上面提到的那些runqueue中
• 在struct rq中由很多其他的信息和状态

struct rq {
...
    struct cfs_rq cfs;
    struct rt_rq rt;
    struct dl_rq dl;
...
}