1 调度器概述

任务调度器是操作系统中一个很重要的功能部件，主要功能是把系统中的task调度到各个CPU上去执行，满足如下的性能需求：

• 调度器必须是公平的:(对于分时的进程，每个任务都应该有机会执行，不能饿死，保证每个进程得到合理的CPU时间)
• 快速的进程响应时间:(对于交互式进程，需要和用户进行交流，因此对调度延迟比较敏感)
• 高系统的吞吐量:(对于 批处理进程 进程，属于那种在后台的默默奉献的，因此它更注重吞吐量的需求)
• 功耗要小:(对于移动式终端，功耗的需求其实一直以来都没有特别被调度器重视，当然在linux大量在手持设备上应用之后，调度器不得不面对这个问题了)

对于操作系统，为了达到这些设计目标，调度器必须要考虑某些调度因素，比如优先级、时间片等。很多操作系统的调度器都是采用优先级，调度器总是选择优先级最高的那个进程执行。而在linux内核中

• 优先级是实时进程调度的主要考虑因素
• 对于普通进程，如何细分时间片则是调度器的核心思考点。过大的时间片会一种损伤系统的响应延迟，让用户明显能够感知到延迟、卡顿，从而影响用户体验。较小的时间片虽然有助于减小调度延迟，但是频繁的切换对系统的吞吐量会造成严重的影响。

所以，Linux任务调度器的设计是一个极具挑战的工作，需要在各种有冲突的需求中维持平衡。

2. 经典调度算法

1962年由Corbato等人提出了多级反馈队列(Multi-level Feedback Queue，MLFQ)算法，这对操作系统的进程调度的设计产生了深远的影响。很多操作系统的进程调度器(如Solaris、FreeBSD、Windows NT、linux内核的O(1)调度器等)，都是以这个多级反馈队列为基本思想。

多级反馈队列算法的核心思想

把进程按照优先级分成多个队列，相同优先级的进程在同一个队列中

• 如果进程A的优先级大于进程B的优先级，那么调度器选择进程A
• 如果进程A和进程B的优先级一样，那么它们同属于一个队列里，使用轮转调度算法来选择

多级反馈队列算法的精髓在于反馈，多级反馈队列算法需要判断进程属于哪种进程，然后做出不同的反馈

• 当一个新进程进入调度器，把它放入优先级最高的队列里，若这个进程完全占用了CPU，说明这是一个CPU消耗型的进程，那么需要把优先级降一级，将其从高优先级队列中迁移到低一级的队列里
• 若一个进程在时间片没有结束之前放弃CPU，那么说明这是一个I/O消耗型的进程，那么优先级保持不变

这个反馈算法看起来不错，可是在实际应用过程中还是发现它有不少问题。

• 第一个问题，会产生“饥饿”，当系统中有大量的I/O消耗型的进程的时候，这些I/O消耗型的进程会把CPU完全占满，因为他们的优先级最高，所以那些CPU消耗的进程就会得不到CPU时间片，从而产生饥饿
• 第二个问题，有些进程会欺骗调度器，有的进程在时间片快要结束的时候突然发起了一个I/O请求并放弃CPU，按照规则，调度器把这个进程判定为I/O消耗型的进程，从而欺骗调度器，它继续保留在高优先级的队列里面。这种进程其实99.99%的时间在占用CPU时间片，到了最后时刻还巧妙的利用规则来欺骗调度器。如果系统中有大量的这种进程，那么系统的交互性就变差了
• 第三个问题，一个进程很难去判断究竟属于I/O消耗型还是CPU消耗型，一个进程可能一会儿是I/O消耗型，一会儿是CPU消耗型

3. linux调度器演变

3.1 早期版本

Linux0.11版本就已经有一个简单的调度器，当然并不适合现在的多处理器的系统。该调度器值维护了一个全局的进程队列，每次都需要遍历该队列来寻找新的进程执行，具体请参考进程管理(三)----linux进程管理起源

3.2 linux内核的O(n)调度算法

linux2.4版本的linux内核使用的调度算法也非常简单和直接，由于每次在寻找下一个任务时，需要遍历系统中所有的任务链表，所以被称为O(n)调度器。首先我们来分析核心代码

对于linux2.4的内核，其实本质跟linux0.11基本类似，只是在用goodness函数会计算一个权重值，它的基本思想是基于进程所剩余的时间片，在加上进程优先级的权重。在计算动态优先级的时候，对进程分为两种情况，实时进程和普通进程，对于实时进程而言，动态优先级等于静态优先级加上一个固定的偏移

而对于普通进程而言，动态优先级的计算就稍微比较复杂，其计算动态优先级的策略如下

总体来说上面的实现，很任意理解

• jiffies是系统开机以来tick的次数（alarm>jiffies说明过期了，重置为0） -
• counter是时间片，单位是tick（时钟滴答），调度器根据couter大小决定优先级（couter越大优先级越高）
• NR_TASKS是task（进程）总数。

其流程为：
1 第一次循环是检查一遍alarm()函数，唤醒任何收到alarm传来的signal的没有被阻塞的tasks，将TASK_INTERRUPTIBLE（挂起）改为TASK_RUNNING可执行。
2 while(1) 这个死循环一直执行到关机，每次循环先while (–i)找出counter（时间片）最大的task。
3 if break;和下面的这些是说如果c为0（所有进程的counter用完了），就重新分配counter。
4 最后调用switch_to(next)切换进程。（切换到counter最大的一个）

nice成员就是普通进程的静态优先级，之所以用（20-nice value）表示静态优先级，主要是为了使得静态优先级变得单调上升。Linux为了奖励睡眠的进程，所以睡眠的进程剩余的时间片会较多，因此动态优先级页会高一些，下一次会更容易得到调度执行。

调度器是根据动态优先级来进行调度，谁大就执行谁，我们以普通进程为例

• 如果进程静态优先级较高，即nice值较小，剩余的时间多，那么必定是优先执行
• 如果进程静态优先级较高，即nice值较小，但是所剩余时间片无几，那么可能会让位给剩余时间片较多

所以对于这个权重值，理解如下：

• -1000，表示不要选择该进程运行
• 0，表示时间片用完了，需要重新计算counter
• 正整数，goodness值越大越容易执行
• +1000，表示实时进程，接下来就要选择它运行

3.3 O(n)调度时机

对于2.4的内核，产生调度的时机主要包括以下几个方面

• 1.进程主动发起调度
• 2.在timer中断处理中发现当前时间片耗尽
• 3.进程唤醒的时候
• 4.父进程在fork的时候，其时间片会均分到父子进程，但是如果只剩下一个tick，这个tick会分配给子进程，而父进程的时间片会被清0，这个时候父进程执行就等同于在timer中断处理中发现当前时间片耗尽；如果父进程在fork的时候，时间片较大，父子进程的时间片都不为0，这个时候的场景类似于唤醒进程，向runqueue中添加一个task，从而引发调度
• 5.用户进程主动让出CPU的时候
• 6.用户进程修改调度参数的时候

以上的场景中，除了进程主动调度之外，其他的场景都不是立刻调度schedule函数，而是设定need_resched标记，然后等待调度点的到来。而对于2.4的内核，由于不是抢占式，因此调度点总是在返回用户空间的时候才会到来，当调度点到来的时候，进程调度会在该CPU上启动。

3.4 O(n)调度时间片处理

对于普通进程的时间片处理思路是

• 每个进程根据其静态优先级可以固定分配一个缺省的时间片，静态优先级越大，分配的时间片越大
• 一旦Runqueue的进程被调度执行，那么其时间片会在tick到来的时候递减，如果进程时间片耗尽，那么该进程将失去分配CPU资源的资格
• Runqueue中的进程的时间片全部被用完之后，也就是调度周期结束，这个时候需要为runqueue中的进程重新设定其缺省的时间片，这样，新的调度周期又开始了

当runqueue中所有进程的时间片耗尽后，这个时候开启一次重新加载进程缺省时间片的过程，如下：

这里的C是遍历runqueue链表之后找到最大的动态优先级，如果它为0，则说明

• 系统中没有处于可以运行状态的实时进程，
• 所有的可运行状态的普通进程都已经耗尽完了它们的时间片，这个时候就需要重新计算

通过for_each_task遍历系统中的所有进程描述符，不论是否是可运行状态。

• 对于挂入runqueue链表中的普通进程而言，其当前的p->counter已经是0，因此它获得新的时间片就是nice计算得到的缺省时间片
• 对于挂人等待队列中处于睡眠状态进程而言，其时间片为p->counter还有剩余，会累积到进程时间片配额中，也算是对睡眠进程的一种奖励，也就是对于内核会奖励睡眠进程。
• 同时为了防止经常睡眠的交互式进程获得过于庞大的时间片，并不是累积其全部存留的时间片，而是打个对折

新的一个周期开始，消耗的时间片通过timer中断处理，其流程如下：

每一个tick中断到来的时候，进程的时间片都会减1，当时间片是0的时候，调度器剥夺其执行的权利，从而引发一次调度，选择其他时间片不为0的进程，直到runqueue中所有进程的时间片耗尽，又开始新一轮周期。调度器就是这样周而复始，推动整个系统的运作。

4. 总结

O(n)调度器是采用基于优先级的一种调度算法，Linux2.4内核以及更早都是采用这种算法，其定义如下：

就绪队列是一个全局链表，从就绪队列中查找下一个最佳的就绪进程，需要遍历整个就绪队列，花费的时间与就绪队列的进程数量有关，所耗费的时间是O(n)，所以该调度器被称为O(n)调度器

对于O(n)调度器：

• 调度器基于优先级设计，每个进程在创建时被赋予一个固定的时间片，当前进程时间片用完后，调度器会选择下一个进程来运行
• 选择next算法非常简单，对于runqueue中所有的进程进行依次比较，选择优先级最高的进程作为下一个被调度的进程
• 每次进程切换的时，内核扫面可运行的进程链表，计算优先级，然后选择最佳进程来运行
• 所有进程的时间片都用完后，才会为所有进程重新分配时间片

但是o(n)调度器页面临很多问题：

• 时间复杂度问题，时间复杂度为O(n)，当系统中进程很少的时候，性能还可以，但是当系统进程增加后，选择下一个进程会变得越来越慢，从而导致系统整体性能下降；同时当系统中无可运行进程时，重新初始化进程的时间片也是相当的耗时
• 实时进程的运行效率问题，因为实时进程和普通进程在一个列表中，每次查实时进程时，都需要全部扫描整个列表，导致实时进程不是很“实时”
• 因为系统中只有一个runqueue，则当运行队列中的进程少于CPU的个数时，其余的CPU则几乎是idle状态，浪费资源
• cache缓存问题：当系统中的进程逐渐减少时，原先在CPU1上运行的进程，不得不在CPU2上运行，导致在CPU2上运行时，cacheline则几乎是空白的，影响效率。
• SMP扩展问题。当需要picknext下一个进程时，需要对整个runqueue队列进行加锁的操作，spin_lock_irq(&runqueue_lock);当系统中进程数目比较多的时候，则在临界区的时间就比较长，导致其余的CPU自旋比较浪费

5. 参考文档

郭健： Linux进程调度技术的前世今生之"前世"

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