中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn Autumn 2011 Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn Autumn 2011

主要内容 进程描述符 进程切换 进程的创建和删除 进程调度 2019/1/1 Linux操作系统分析

进程的分类 不同类型的进程有不同的调度需求 第一种分类： I/O-bound CPU-bound 频繁的进行I/O 计算密集型 需要大量的CPU时间进行运算 2019/1/1 Linux操作系统分析

第二种分类 交互式进程（interactive process） 需要经常与用户交互，因此要花很多时间等待用户输入操作 响应时间要快，平均延迟要低于50~150ms 典型的交互式程序：shell、文本编辑程序、图形应用程序等 2019/1/1 Linux操作系统分析

实时进程（real-time process） 批处理进程（batch process） 不必与用户交互，通常在后台运行 不必很快响应 典型的批处理程序：编译程序、科学计算 实时进程（real-time process） 有实时需求，不应被低优先级的进程阻塞 响应时间要短、要稳定 典型的实时进程：视频/音频、机械控制等 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux中的进程调度 Linux既支持普通的分时进程，也支持实时进程 Linux中的调度是多种调度策略和调度算法的混 合。 什么是调度策略？ 是一组规则，它们决定什么时候以怎样的方式选择一 个新进程运行 Linux的调度基于分时和优先级 随着版本的变化，分时技术在不断变化 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux的进程根据优先级排队 Linux中进程的优先级是动态的 根据特定的算法计算出进程的优先级，用一个值表示 这个值表示把进程如何适当的分配给CPU Linux中进程的优先级是动态的 调度程序会根据进程的行为周期性的调整进程的优先 级 较长时间未分配到CPU的进程，通常↑ 已经在CPU上运行了较长时间的进程，通常↓ 2019/1/1 Linux操作系统分析

与调度相关的系统调用 nice getpriority/setpriority sched_getscheduler/sched_setscheduler sched_getparam/sched_setparam sched_yield sched_get_priority_min/sched_get_priority_max sched_rr_get_interval 2019/1/1 Linux操作系统分析

例如 仅作用于调用者进程 2019/1/1 Linux操作系统分析

又如 2019/1/1 Linux操作系统分析

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调度算法 Linux 2.4的调度算法 Linux 2.6.17的调度算法（2.6.23之前） Linux 2.6.26的调度算法 需要遍历可运行队列，算法O(n) Epoch，基本时间片，动态优先级 Linux 2.6.17的调度算法（2.6.23之前） 采用双队列（Active；expire ），按照优先级组队，O(1) Linux 2.6.26的调度算法 非实时：CFS，vruntime，红黑树 实时：优先级队列 Linux进程可以指定该进程所采用的调度策略 调度算法根据进程的调度策略，采用不同的调度算法 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux 2.6.26中的 调度策略：Policy，调度类型 include/linux/sched.h 在task_struct中，使用数据项policy来表达该进程采用的调度策略 2019/1/1 Linux操作系统分析

查看linux-2.6.26中各个policy的使用情况 2019/1/1 Linux操作系统分析

kernel/sched.c 2019/1/1 Linux操作系统分析

调度类型 阅读const struct sched_class，调度类 rt_sched_class fair_sched_class idle_sched_class kernel/sched_idletask.c kernel/sched_fair.c kernel/sched_rt.c fair_sched_class idle_sched_class rt_sched_class 2019/1/1 Linux操作系统分析

阅读2.6.26的schedule函数 调度函数的关键： 调度算法的关键 入列 CFS根据vruntime的值入列，其关键在于vruntime值的计算 RT根据优先级入列 kernel/sched.c，参见函数schedule() kernel/sched_fair.c，update_curr 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.6.26中每个CPU的就绪队列 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.6.26中进程的调度实体 include/linux/sched.h:task_struct 2019/1/1

include/linux/sched.h 2019/1/1 Linux操作系统分析

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关于CFS的vruntime 理想的调度，所有的任务都是公平的。等速度 的运行每个任务。 cfs就是通过追踪这个vruntime来进行任务调度 的。它总是选 vruntime最小的进程来运行。 几个关键的vruntime更新之处 set_task_cpu：进程从原CPU上转移到新CPU上，需 根据两个cpu上就绪队列min_vruntime的值的差距进 行调整，使得进程的vruntime值能与新的调度队列中 的进程具有一定的可比性 kernel/sched.c 2019/1/1 Linux操作系统分析

在__update_curr中， 在yield_task_fair中， 等等 kernel/sched_fair.c 2019/1/1 Linux操作系统分析

了解linux-2.6.26中进程的滴答更新 调度类中的方法task_tick用来在任务运行时进行 滴答更新。 每个调度类都有自己的滴答更新方法： task_tick_rt、task_tick_fair和task_tick_idle（为空 ）。 2019/1/1 Linux操作系统分析

考虑task_tick_fair 2019/1/1 Linux操作系统分析

关键内部函数update_curr，参见源代码 2019/1/1 Linux操作系统分析

include/linux/sched.h 2019/1/1 Linux操作系统分析

考虑task_tick_rt 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux2.6.26中的优先级 include/linux/sched.h 即100 即140 即120 优先数范围为0～139，其中0～99为实时优先数 普通任务和批处理任务的优先数在100～139之间 优先数越大，优先级越低。 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux2.6.26中的nice值 Nice值用来调整进程的优先级 Nice值的范围在-20~19之间。 kernel/sched.c 2019/1/1 Linux操作系统分析

进程可以通过优先级设置相关的系统调用来调整自身或者其他进程的优先级 INIT_TASK的初始优先级设置情况 子进程继承父进程的优先级 进程可以通过优先级设置相关的系统调用来调整自身或者其他进程的优先级 include/linux/init_task.h 2019/1/1 Linux操作系统分析

wake_up_new_task对优先级的调整 sched_fork中对优先级的调整 wake_up_new_task对优先级的调整 2019/1/1 Linux操作系统分析

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阅读sys_nice的代码，理解nice的作用 …… …… 注意：阅读的时候，将实时任务和非实时任务分开考虑 2019/1/1 Linux操作系统分析

阅读sys_setpriority的代码 kernel/sys.c 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18中的调度算法

Linux-2.4.18的调度策略 Linux进程可以指定该进程所采用的调度策略 调度算法根据进程的调度策略，采用不同的调度 算法 普通的分时进程 先入先出的实时进程 循环轮转的实时进程 当一个进程自动放弃运行时设置 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18的调度主要基于分时技术 允许多个进程“并发”运行 CPU的时间被划分成“片”，给每个可运行进程分 配一片 在单处理器上，任何时刻只能运行一个进程，当 一个并发执行的进程时间片用完时（到期）还没 有终止，就可以进行进程调度 分时依赖于时钟中断，对进程透明 2019/1/1 Linux操作系统分析

采用常规分时时，时间片的选择 时间片的长短对系统性能非常关键，它既不能太 长也不能太短 太短： 频繁的切换会造成系统开销过大 假如切换时间为1ms，时间片设置为1ms，那就没空 执行进程了 2019/1/1 Linux操作系统分析

时间片大小的选择总是一种折衷。Linux采取单 凭经验的方法，即选择尽可能长的时间片，同时 能保持良好的响应时间 太长 几乎每个进程都一次运行完 并发的概念基本消失 普通进程需要等待很长时间才能运行 时间片大小的选择总是一种折衷。Linux采取单 凭经验的方法，即选择尽可能长的时间片，同时 能保持良好的响应时间 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18进程的调度优先级 Linux在其调度程序中，根据特定的算法计算出 进程的调度优先级，用一个值goodness表示，进 程根据这个值竞争CPU 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18的调度算法（1） epoch linux调度算法把CPU时间划分为时期（epoch） 在一个单独的时期内，每个进程有一个指定的时间片 一个进程用完它的时间片时，就会被强占 只要进程的时间片没有用完，就可以被多次调度运行 当所有的进程用完它的时间片的时候，一个时期才结 束，此时要重新计算所有进程的时间片，并重新开始 一个新的时期 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18的调度算法（2） 基本时间片（base time quantum） 每个进程有一个基本时间片，通过nice计算 时间片/epoch到期时，新时间片的计算公式： 可以通过nice、setpriority系统调用调整进程的基本时 间片 nice缺省为0（在-20到19之间选择） 通常，基本时间片的值 为6，由于时钟中断大约10ms左右， 因此基本时间片的长度大约60ms 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18的调度算法（3） 当前剩余时间片 每个进程使用counter表示当前时期内的剩余时间 片 每当一个tick过去，就会从当前进程的counter上-1 在某个时期内创建的一个新进程，在该时期内的 剩余时间片将从父进程那里继承一半 2019/1/1 Linux操作系统分析

举例：进程0（INIT_TASK）的时间片： HZ代表了1秒内的tick数 因此一个tick就是1/100秒 即10ms 可以计算出 DEF_COUNTER=10个tick 即100ms (实际上约105ms) MAX_COUNTER=20个tick 即200ms 2019/1/1 Linux操作系统分析

Linux-2.4.18中调度程序使用的数据结构 进程描述符中： need_resched：是否需要调度 policy：调度策略 rt_priority：实时进程的静态优先级（1~99），普通进 程不用（设为0） counter：当前剩余时间片 新时期开始时根据上述计算公式计算 每次时钟中断，时间片都会-1，直到为0（则请求调度） 创建一个新进程时，子进程会继承父进程的一半剩余时间片 nice：基本时间片参数，可以调节 2019/1/1 Linux操作系统分析

schedule函数 schedule函数实现调度 目的：在运行队列中找到一个进程，把CPU分配 给它 调用方法： 阅读schedule 直接调用，如sleep_on 松散调用，根据need_resched标记 阅读schedule 2019/1/1 Linux操作系统分析

调度的时机 调度时机来临时，内核或驱动将调用schedule() 在Linux中调度的时机主要有： current的状态从running转换为其他状态时，如： 1）进程终止。exit()在最后调用schedule()。 2）进程因某种原因进入等待状态。 比较常见的就是进程调用nanosleep()或者wait系列的 系统调用。 此外，在设备驱动程序中，最常见的原因就是驱动引 发一次I/O操作后，为等待I/O操作的结束而进入等待 状态。多数情况下，驱动会直接调用schedule()。 2019/1/1 Linux操作系统分析

进程从中断、异常、系统调用状态（即内核态）返回 时。 当前进程的时间片用完时。 时间片是否用完，由时钟中断处理程序进行判断。 若到期，就将current的need_resched位置1。 返回用户态时，根据need_resched调用schedule() 进程从中断、异常、系统调用状态（即内核态）返回 时。 若在中断、异常、系统调用中，current的need_resched被置1 ，都会导致进程调度。 包括上述时钟中断。 2019/1/1 Linux操作系统分析

调度算法的性能 不适合进程数量很大的情况 对高负载系统来说，预定义的时间片太长 对于I/O密集型的程序不是很有利 对实时应用的支持是微弱的 重新计算所有进程的动态优先级很耗时 对高负载系统来说，预定义的时间片太长 对于I/O密集型的程序不是很有利 对实时应用的支持是微弱的 2019/1/1 Linux操作系统分析

作业： Linux为什么要引入pidhash表？ 在传统的UNIX系统中，创建子进程时会复制父 进程的所有资源，代价比较高，现代UNIX系统 中引入了哪几项技术来解决这个问题？ Linux2.4.18中，名词解释： epoch 基本时间片 Linux2.6.26中，名词解释： CFS Linux2.6.17中，名词解释： 双队列 2019/1/1 Linux操作系统分析