《Linux核心設計與實作》讀書筆記（四）- 程序的排程

主要内容：

• 什麼是排程
• 排程實作原理
• Linux上排程實作的方法
• 排程相關的系統調用

1. 什麼是排程

現在的作業系統都是多任務的，為了能讓更多的任務能同時在系統上更好的運作，需要一個管理程式來管理計算機上同時運作的各個任務（也就是程序）。

這個管理程式就是排程程式，它的功能說起來很簡單：

1. 決定哪些程序運作，哪些程序等待
2. 決定每個程序運作多長時間

此外，為了獲得更好的使用者體驗，運作中的程序還可以立即被其他更緊急的程序打斷。

總之，排程是一個平衡的過程。一方面，它要保證各個運作的程序能夠最大限度的使用CPU(即盡量少的切換程序，程序切換過多，CPU的時間會浪費在切換上)；另一方面，保證各個程序能公平的使用CPU(即防止一個程序長時間獨占CPU的情況)。

2. 排程實作原理

前面說過，排程功能就是決定哪個程序運作以及程序運作多長時間。

決定哪個程序運作以及運作多長時間都和程序的優先級有關。為了确定一個程序到底能持續運作多長時間，排程中還引入了時間片的概念。

2.1 關于程序的優先級

程序的優先級有2種度量方法，一種是nice值，一種是實時優先級。

nice值的範圍是-20～+19，值越大優先級越低，也就是說nice值為-20的程序優先級最大。

實時優先級的範圍是0～99，與nice值的定義相反，實時優先級是值越大優先級越高。

實時程序都是一些對響應時間要求比較高的程序，是以系統中有實時優先級高的程序處于運作隊列的話，它們會搶占一般的程序的運作時間。

程序的2種優先級會讓人不好了解，到底哪個優先級更優先？一個程序同時有2種優先級怎麼辦？

其實linux的核心早就有了解決辦法。

對于第一個問題，到底哪個優先級更優先？

答案是實時優先級高于nice值，在核心中，實時優先級的範圍是 0～MAX_RT_PRIO-1 MAX_RT_PRIO的定義參見 include/linux/sched.h

1611 #define MAX_USER_RT_PRIO        100
1612 #define MAX_RT_PRIO             MAX_USER_RT_PRIO      

nice值在核心中的範圍是 MAX_RT_PRIO～MAX_RT_PRIO+40 即 MAX_RT_PRIO～MAX_PRIO

1614 #define MAX_PRIO                (MAX_RT_PRIO + 40)      

第二個問題，一個程序同時有2種優先級怎麼辦？

答案很簡單，就是一個程序不可能有2個優先級。一個程序有了實時優先級就沒有Nice值，有了Nice值就沒有實時優先級。

我們可以通過以下指令檢視程序的實時優先級和Nice值：(其中RTPRIO是實時優先級，NI是Nice值)

$ ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,ni,time,comm
S   UID   PID  PPID RTPRIO  NI     TIME COMMAND
S     0     1     0      -   0 00:00:00 systemd
S     0     2     0      -   0 00:00:00 kthreadd
S     0     3     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/0
S     0     6     2     99   - 00:00:00 migration/0
S     0     7     2     99   - 00:00:00 watchdog/0
S     0     8     2     99   - 00:00:00 migration/1
S     0    10     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/1
S     0    12     2     99   - 00:00:00 watchdog/1
S     0    13     2     99   - 00:00:00 migration/2
S     0    15     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/2
S     0    16     2     99   - 00:00:00 watchdog/2
S     0    17     2     99   - 00:00:00 migration/3
S     0    19     2      -   0 00:00:00 ksoftirqd/3
S     0    20     2     99   - 00:00:00 watchdog/3
S     0    21     2      - -20 00:00:00 cpuset
S     0    22     2      - -20 00:00:00 khelper      

2.2 關于時間片

有了優先級，可以決定誰先運作了。但是對于排程程式來說，并不是運作一次就結束了，還必須知道間隔多久進行下次排程。

于是就有了時間片的概念。時間片是一個數值，表示一個程序被搶占前能持續運作的時間。

也可以認為是程序在下次排程發生前運作的時間(除非程序主動放棄CPU，或者有實時程序來搶占CPU)。

時間片的大小設定并不簡單，設大了，系統響應變慢(排程周期長)；設小了，程序頻繁切換帶來的處理器消耗。預設的時間片一般是10ms

2.3 排程實作原理（基于優先級和時間片）

下面舉個直覺的例子來說明：

假設系統中隻有3個程序ProcessA(NI=+10)，ProcessB(NI=0)，ProcessC(NI=-10)，NI表示程序的nice值，時間片=10ms

1) 排程前，把程序優先級按一定的權重映射成時間片(這裡假設優先級高一級相當于多5msCPU時間)。

    假設ProcessA配置設定了一個時間片10ms，那麼ProcessB的優先級比ProcessA高10(nice值越小優先級越高)，ProcessB應該配置設定10*5+10=60ms，以此類推，ProcessC配置設定20*5+10=110ms

2) 開始排程時，優先排程配置設定CPU時間多的程序。由于ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(110ms)。顯然先排程ProcessC

3) 10ms(一個時間片)後，再次排程時，ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(100ms)。ProcessC剛運作了10ms，是以變成100ms。此時仍然先排程ProcessC

4) 再排程4次後(4個時間片)，ProcessA(10ms),ProcessB(60ms),ProcessC(60ms)。此時ProcessB和ProcessC的CPU時間一樣，這時得看ProcessB和ProcessC誰在CPU運作隊列的前面，假設ProcessB在前面，則排程ProcessB

5) 10ms(一個時間片)後，ProcessA(10ms),ProcessB(50ms),ProcessC(60ms)。再次排程ProcessC

6) ProcessB和ProcessC交替運作，直至ProcessA(10ms),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

    這時得看ProcessA，ProcessB，ProcessC誰在CPU運作隊列的前面就先排程誰。這裡假設排程ProcessA

7) 10ms(一個時間片)後，ProcessA(時間片用完後退出),ProcessB(10ms),ProcessC(10ms)。

8) 再過2個時間片，ProcessB和ProcessC也運作完退出。

這個例子很簡單，主要是為了說明排程的原理，實際的排程算法雖然不會這麼簡單，但是基本的實作原理也是類似的：

1）确定每個程序能占用多少CPU時間(這裡确定CPU時間的算法有很多，根據不同的需求會不一樣)

2）占用CPU時間多的先運作

3）運作完後，扣除運作程序的CPU時間，再回到 1）

3. Linux上排程實作的方法

Linux上的排程算法是不斷發展的，在2.6.23核心以後，采用了“完全公平排程算法”，簡稱CFS。

CFS算法在配置設定每個程序的CPU時間時，不是配置設定給它們一個絕對的CPU時間，而是根據程序的優先級配置設定給它們一個占用CPU時間的百分比。

比如ProcessA(NI=1)，ProcessB(NI=3)，ProcessC(NI=6)，在CFS算法中，分别占用CPU的百分比為：ProcessA(10%)，ProcessB(30%)，ProcessC(60%)

因為總共是100%，ProcessB的優先級是ProcessA的3倍，ProcessC的優先級是ProcessA的6倍。

Linux上的CFS算法主要有以下步驟：(還是以ProcessA(10%)，ProcessB(30%)，ProcessC(60%)為例)

1)計算每個程序的vruntime(注1)，通過update_curr()函數更新程序的vruntime。

2)選擇具有最小vruntime的程序投入運作。（注2）

3)程序運作完後，更新程序的vruntime，轉入步驟2) （注3）

注1. 這裡的vruntime是程序虛拟運作的時間的總和。vruntime定義在：kernel/sched_fair.c 檔案的 struct sched_entity 中。

注2. 這裡有點不好了解，根據vruntime來選擇要運作的程序，似乎和每個程序所占的CPU時間百分比沒有關系了。

1）比如先運作ProcessC，(vr是vruntime的縮寫)，則10ms後：ProcessA(vr=0)，ProcessB(vr=0)，ProcessC(vr=10)

2）那麼下次排程隻能運作ProcessA或者ProcessB。(因為會選擇具有最小vruntime的程序)

長時間來看的話，ProcessA、ProcessB、ProcessC是公平的交替運作的，和優先級沒有關系。

而實際上vruntime并不是實際的運作時間，它是實際運作時間進行權重運算後的結果。

比如上面3個程序中ProcessA(10%)隻配置設定了CPU總的處理時間的10%，那麼ProcessA運作10ms的話，它的vruntime會增加100ms。

以此類推，ProcessB運作10ms的話，它的vruntime會增加(100/3)ms,ProcessC運作10ms的話，它的vruntime會增加(100/6)ms。

實際的運作時，由于ProcessC的vruntime增加的最慢，是以它會獲得最多的CPU處理時間。

上面的權重算法是我自己為了了解友善簡化的，Linux對vruntime的權重方法還得去看源碼^-^

注3.Linux為了能快速的找到具有最小vruntime，将所有的程序的存儲在一個紅黑樹中。這樣樹的最左邊的葉子節點就是具有最小vruntime的程序，新的程序加入或有舊的程序退出時都會更新這棵樹。

其實Linux上的排程器是以子產品方式提供的，每個排程器有不同的優先級，是以可以同時存在多種排程算法。

每個程序可以選擇自己的排程器，Linux排程時，首先按排程器的優先級選擇一個排程器，再選擇這個排程器下的程序。

4. 排程相關的系統調用

排程相關的系統調用主要有2類：

1) 與排程政策和程序優先級相關 (就是上面的提到的各種參數，優先級，時間片等等) - 下表中的前8個

2) 與處理器相關 - 下表中的最後3個

系統調用	描述
nice()	設定程序的nice值
sched_setscheduler()	設定程序的排程政策，即設定程序采取何種排程算法
sched_getscheduler()	擷取程序的排程算法
sched_setparam()	設定程序的實時優先級
sched_getparam()	擷取程序的實時優先級
sched_get_priority_max()	擷取實時優先級的最大值，由于使用者權限的問題，非root使用者并不能設定實時優先級為99
sched_get_priority_min()	擷取實時優先級的最小值，理由與上面類似
sched_rr_get_interval()	擷取程序的時間片
sched_setaffinity()	設定程序的處理親和力，其實就是儲存在task_struct中的cpu_allowed這個掩碼标志。該掩碼的每一位對應一個系統中可用的處理器，預設所有位都被設定，即該程序可以再系統中所有處理器上執行。 使用者可以通過此函數設定不同的掩碼，使得程序隻能在系統中某一個或某幾個處理器上運作。
sched_getaffinity()	擷取程序的處理親和力
sched_yield()	暫時讓出處理器