引言

調(diào)度器作為操作系統(tǒng)的核心部件，具有非常重要的意義，其隨著linux內(nèi)核的更新也不斷進(jìn)行著更新。本系列文章通過(guò)linux-3.18.3源碼進(jìn)行調(diào)度器的學(xué)習(xí)和分析，一步一步將linux現(xiàn)有的調(diào)度器原原本本的展現(xiàn)出來(lái)。此篇文章作為開(kāi)篇，主要介紹調(diào)度器的原理及重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

調(diào)度器介紹

隨著時(shí)代的發(fā)展，linux也從其初始版本穩(wěn)步發(fā)展到今天，從2.4的非搶占內(nèi)核發(fā)展到今天的可搶占內(nèi)核，調(diào)度器無(wú)論從代碼結(jié)構(gòu)還是設(shè)計(jì)思想上也都發(fā)生了翻天覆地的變化，其普通進(jìn)程的調(diào)度算法也從O(1)到現(xiàn)在的CFS，一個(gè)好的調(diào)度算法應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個(gè)方面：

• 公平：保證每個(gè)進(jìn)程得到合理的CPU時(shí)間。

• 高效：使CPU保持忙碌狀態(tài)，即總是有進(jìn)程在CPU上運(yùn)行。

• 響應(yīng)時(shí)間：使交互用戶的響應(yīng)時(shí)間盡可能短。

• 周轉(zhuǎn)時(shí)間：使批處理用戶等待輸出的時(shí)間盡可能短。

• 吞吐量：使單位時(shí)間內(nèi)處理的進(jìn)程數(shù)量盡可能多。

• 負(fù)載均衡：在多核多處理器系統(tǒng)中提供更高的性能

而整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)至少包含兩種調(diào)度算法，是分別針對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程，所以在整個(gè)linux內(nèi)核中，實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程是并存的，但它們使用的調(diào)度算法并不相同，普通進(jìn)程使用的是CFS調(diào)度算法(紅黑樹(shù)調(diào)度)。之后會(huì)介紹調(diào)度器是怎么調(diào)度這兩種進(jìn)程。

進(jìn)程

在linux中，進(jìn)程主要分為兩種，一種為實(shí)時(shí)進(jìn)程，一種為普通進(jìn)程

• 實(shí)時(shí)進(jìn)程：對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求很高，它們需要短的響應(yīng)時(shí)間，并且這個(gè)時(shí)間的變化非常小，典型的實(shí)時(shí)進(jìn)程有音樂(lè)播放器，視頻播放器等。

• 普通進(jìn)程：包括交互進(jìn)程和非交互進(jìn)程，交互進(jìn)程如文本編輯器，它會(huì)不斷的休眠，又不斷地通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行喚醒，而非交互進(jìn)程就如后臺(tái)維護(hù)進(jìn)程，他們對(duì)IO，響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有很高的要求，比如編譯器。

它們?cè)趌inux內(nèi)核運(yùn)行時(shí)是共存的，實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)為0~99，實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)不會(huì)在運(yùn)行期間改變(靜態(tài)優(yōu)先級(jí))，而普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)為100~139，普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)會(huì)在內(nèi)核運(yùn)行期間進(jìn)行相應(yīng)的改變(動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí))。

調(diào)度策略

在linux系統(tǒng)中，調(diào)度策略分為

• SCHED_NORMAL：普通進(jìn)程使用的調(diào)度策略，現(xiàn)在此調(diào)度策略使用的是CFS調(diào)度器。

• SCHED_FIFO：實(shí)時(shí)進(jìn)程使用的調(diào)度策略，此調(diào)度策略的進(jìn)程一旦使用CPU則一直運(yùn)行，直到有比其更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程進(jìn)入隊(duì)列，或者其自動(dòng)放棄CPU，適用于時(shí)間性要求比較高，但每次運(yùn)行時(shí)間比較短的進(jìn)程。

• SCHED_RR：實(shí)時(shí)進(jìn)程使用的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法策略，實(shí)時(shí)進(jìn)程的時(shí)間片用完后，調(diào)度器將其放到隊(duì)列末尾，這樣每個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)程都可以執(zhí)行一段時(shí)間。適用于每次運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)的實(shí)時(shí)進(jìn)程。

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首先，我們需要清楚，什么樣的進(jìn)程會(huì)進(jìn)入調(diào)度器進(jìn)行選擇，就是處于TASK_RUNNING狀態(tài)的進(jìn)程，而其他狀態(tài)下的進(jìn)程都不會(huì)進(jìn)入調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)發(fā)生調(diào)度的時(shí)機(jī)如下

• 調(diào)用cond_resched()時(shí)

• 顯式調(diào)用schedule()時(shí)

• 從系統(tǒng)調(diào)用或者異常中斷返回用戶空間時(shí)

• 從中斷上下文返回用戶空間時(shí)

當(dāng)開(kāi)啟內(nèi)核搶占(默認(rèn)開(kāi)啟)時(shí)，會(huì)多出幾個(gè)調(diào)度時(shí)機(jī)，如下

• 在系統(tǒng)調(diào)用或者異常中斷上下文中調(diào)用preempt_enable()時(shí)(多次調(diào)用preempt_enable()時(shí)，系統(tǒng)只會(huì)在最后一次調(diào)用時(shí)會(huì)調(diào)度)

• 在中斷上下文中，從中斷處理函數(shù)返回到可搶占的上下文時(shí)(這里是中斷下半部，中斷上半部實(shí)際上會(huì)關(guān)中斷，而新的中斷只會(huì)被登記，由于上半部處理很快，上半部處理完成后才會(huì)執(zhí)行新的中斷信號(hào)，這樣就形成了中斷可重入, 但是即使是中斷下半部, 也是不能夠被調(diào)度的)

• 而在系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)度器初始化時(shí)會(huì)初始化一個(gè)調(diào)度定時(shí)器，調(diào)度定時(shí)器每隔一定時(shí)間執(zhí)行一個(gè)中斷，在中斷會(huì)對(duì)當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行更新，如果進(jìn)程需要被調(diào)度，在調(diào)度定時(shí)器中斷中會(huì)設(shè)置一個(gè)調(diào)度標(biāo)志位，之后從定時(shí)器中斷返回，因?yàn)樯厦嬉呀?jīng)提到從中斷上下文返回時(shí)是可能有調(diào)度時(shí)機(jī)的，如果定時(shí)器中斷返回時(shí)正好是返回到用戶態(tài)空間, 而且調(diào)度標(biāo)志位又置位了, 這時(shí)候就會(huì)做進(jìn)程切換. 在內(nèi)核源碼的匯編代碼中所有中斷返回處理都必須去判斷調(diào)度標(biāo)志位是否設(shè)置，如設(shè)置則執(zhí)行schedule()進(jìn)行調(diào)度。而我們知道實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程是共存的，調(diào)度器是怎么協(xié)調(diào)它們之間的調(diào)度的呢，其實(shí)很簡(jiǎn)單，每次調(diào)度時(shí)，會(huì)先在實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列中查看是否有可運(yùn)行的實(shí)時(shí)進(jìn)程，如果沒(méi)有，再去普通進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列找下一個(gè)可運(yùn)行的普通進(jìn)程，如果也沒(méi)有，則調(diào)度器會(huì)使用idle進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行。之后的章節(jié)會(huì)放上代碼進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

• 系統(tǒng)并不是每時(shí)每刻都允許調(diào)度的發(fā)生，當(dāng)處于中斷期間的時(shí)候(無(wú)論是上半部還是下半部)，調(diào)度是被系統(tǒng)禁止的，之后中斷過(guò)后才重新允許調(diào)度。而對(duì)于異常，系統(tǒng)并不會(huì)禁止調(diào)度，也就是在異常上下文中，系統(tǒng)是有可能發(fā)生調(diào)度的。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 在這一節(jié)中，我們都是以普通進(jìn)程作為講解對(duì)象，因?yàn)槠胀ㄟM(jìn)程使用的調(diào)度算法為CFS調(diào)度算法，它是以紅黑樹(shù)為基礎(chǔ)的調(diào)度算法，其相比與實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度算法復(fù)雜很多，而實(shí)時(shí)進(jìn)程在組織結(jié)構(gòu)上與普通進(jìn)程沒(méi)有太大差別，算法也較為簡(jiǎn)單。

• 組成形式圖1：

• 從圖1 中可以看出來(lái)，每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)包含一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列結(jié)構(gòu)(struct rq)，而每個(gè)運(yùn)行隊(duì)列又包含有其自己的實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列(struct rt_rq)、普通進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列(struct cfs_rq)、和一個(gè)我自己也不太知道有什么用的dl隊(duì)列(struct dl_rq)，也就是說(shuō)每個(gè)CPU都有他們自己的實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列及普通進(jìn)程運(yùn)行隊(duì)列，為了方便，我們?cè)趫D中只描述普通進(jìn)程的組織結(jié)構(gòu)(最復(fù)雜的也是普通進(jìn)程的組織結(jié)構(gòu))，紅色se則為當(dāng)前CPU上正在執(zhí)行的程序，藍(lán)色為下個(gè)將要執(zhí)行的程序，其實(shí)圖中并不規(guī)范，實(shí)際上當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，會(huì)從紅黑樹(shù)中剝離出來(lái)，然后設(shè)定下一個(gè)調(diào)度進(jìn)程，當(dāng)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)，再重新放入紅黑樹(shù)中。而為什么CPU0上有兩個(gè)藍(lán)色將被調(diào)度進(jìn)程，將在組調(diào)度中解釋。而為什么紅黑樹(shù)中又有一個(gè)子紅黑樹(shù)，我們將在調(diào)度實(shí)體中解釋。

組調(diào)度(struct task_group)

我們知道，linux是一個(gè)多用戶系統(tǒng)，如果有兩個(gè)進(jìn)程分別屬于兩個(gè)用戶，而進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)不同，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)用戶所占用的CPU時(shí)間不同，這樣顯然是不公平的(如果優(yōu)先級(jí)差距很大，低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程所屬用戶使用CPU的時(shí)間就很小)，所以內(nèi)核引入組調(diào)度。如果基于用戶分組，即使進(jìn)程優(yōu)先級(jí)不同，這兩個(gè)用戶使用的CPU時(shí)間都為50%。這就是為什么圖1 中CPU0有兩個(gè)藍(lán)色將被調(diào)度的程序，如果task_group1中的運(yùn)行時(shí)間還沒(méi)有使用完，而當(dāng)前進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間使用完后，會(huì)調(diào)度task_group1中的下一個(gè)被調(diào)度進(jìn)程；相反，如果task_group1的運(yùn)行時(shí)間使用結(jié)束，則調(diào)用上一層的下一個(gè)被調(diào)度進(jìn)程。需要注意的是，一個(gè)組調(diào)度中可能會(huì)有一部分是實(shí)時(shí)進(jìn)程，一部分是普通進(jìn)程，這也導(dǎo)致這種組要能夠滿足即能在實(shí)時(shí)調(diào)度中進(jìn)行調(diào)度，又可以在CFS調(diào)度中進(jìn)行調(diào)度。 linux可以以以下兩種方式進(jìn)行進(jìn)程的分組：

• 用戶ID：按照進(jìn)程的USER ID進(jìn)行分組，在對(duì)應(yīng)的/sys/kernel/uid/目錄下會(huì)生成一個(gè)cpu.share的文件，可以通過(guò)配置該文件來(lái)配置用戶所占CPU時(shí)間比例。

• cgourp(control group)：生成組用于限制其所有進(jìn)程，比如我生成一個(gè)組(生成后此組為空，里面沒(méi)有進(jìn)程)，設(shè)置其CPU使用率為10%，并把一個(gè)進(jìn)程丟進(jìn)這個(gè)組中，那么這個(gè)進(jìn)程最多只能使用CPU的10%，如果我們將多個(gè)進(jìn)程丟進(jìn)這個(gè)組，這個(gè)組的所有進(jìn)程平分這個(gè)10%。

注意的是，這里的進(jìn)程組概念和fork調(diào)用所產(chǎn)生的父子進(jìn)程組概念不一樣，文章所使用的進(jìn)程組概念全為組調(diào)度中進(jìn)程組的概念。為了管理組調(diào)度，內(nèi)核引進(jìn)了struct task_group結(jié)構(gòu)，如下：

• 在struct task_group結(jié)構(gòu)中，最重要的成員為 struct sched_entity ** se 和 struct cfs_rq ** cfs_rq。在圖1 中，root_task_group與task_group1都只有一個(gè)，它們?cè)诔跏蓟瘯r(shí)會(huì)根據(jù)CPU個(gè)數(shù)為se和cfs_rq分配空間，即在task_group1和root_task_group中會(huì)為每個(gè)CPU分配一個(gè)se和cfs_rq，同理用于實(shí)時(shí)進(jìn)程的 struct sched_rt_entity ** rt_se 和 struct rt_rq ** rt_rq也是一樣。為什么這樣呢，原因就是在多核多CPU的情況下，同一進(jìn)程組的進(jìn)程有可能在不同CPU上同時(shí)運(yùn)行，所以每個(gè)進(jìn)程組都必須對(duì)每個(gè)CPU分配它的調(diào)度實(shí)體(struct sched_entity 和 struct sched_rt_entity)和運(yùn)行隊(duì)列(struct cfs_rq 和 struct rt_rq)。

調(diào)度實(shí)體(struct sched_entity)

• 在組調(diào)度中，也涉及到調(diào)度實(shí)體這個(gè)概念，它的結(jié)構(gòu)為struct sched_entity(簡(jiǎn)稱se)，就是圖1 紅黑樹(shù)中的se。其實(shí)際上就代表了一個(gè)調(diào)度對(duì)象，可以為一個(gè)進(jìn)程，也可以為一個(gè)進(jìn)程組。對(duì)于根的紅黑樹(shù)而言，一個(gè)進(jìn)程組就相當(dāng)于一個(gè)調(diào)度實(shí)體，一個(gè)進(jìn)程也相當(dāng)于一個(gè)調(diào)度實(shí)體。我們可以先看看其結(jié)構(gòu)，如下：

實(shí)際上，紅黑樹(shù)是根據(jù) struct rb_node 建立起關(guān)系的，不過(guò) struct rb_node 與 struct sched_entity 是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，也可以簡(jiǎn)單看為一個(gè)紅黑樹(shù)結(jié)點(diǎn)就是一個(gè)調(diào)度實(shí)體。可以看出，在 struct sched_entity 結(jié)構(gòu)中，包含了一個(gè)進(jìn)程(或進(jìn)程組)調(diào)度的全部數(shù)據(jù)，其被包含在 struct task_struct 結(jié)構(gòu)中的se中，如下：

在 struct sched_entity 結(jié)構(gòu)中，值得我們注意的成員是：

• load：權(quán)重，通過(guò)優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)換而成，是vruntime計(jì)算的關(guān)鍵。

• on_rq：表明是否處于CFS紅黑樹(shù)運(yùn)行隊(duì)列中，需要明確一個(gè)觀點(diǎn)就是，CFS運(yùn)行隊(duì)列里面包含有一個(gè)紅黑樹(shù)，但這個(gè)紅黑樹(shù)并不是CFS運(yùn)行隊(duì)列的全部，因?yàn)榧t黑樹(shù)僅僅是用于選擇出下一個(gè)調(diào)度程序的算法。很簡(jiǎn)單的一個(gè)例子，普通程序運(yùn)行時(shí)，其并不在紅黑樹(shù)中，但是還是處于CFS運(yùn)行隊(duì)列中，其on_rq為真。只有準(zhǔn)備退出、即將睡眠等待和轉(zhuǎn)為實(shí)時(shí)進(jìn)程的進(jìn)程其CFS運(yùn)行隊(duì)列的on_rq為假。

• vruntime：虛擬運(yùn)行時(shí)間，調(diào)度的關(guān)鍵，其計(jì)算公式：一次調(diào)度間隔的虛擬運(yùn)行時(shí)間 = 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間 * (NICE_0_LOAD / 權(quán)重)。可以看出跟實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和權(quán)重有關(guān)，紅黑樹(shù)就是以此作為排序的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先級(jí)越高的進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)其vruntime增長(zhǎng)的越慢，其可運(yùn)行時(shí)間相對(duì)就長(zhǎng)，而且也越有可能處于紅黑樹(shù)的最左結(jié)點(diǎn)，調(diào)度器每次都選擇最左邊的結(jié)點(diǎn)為下一個(gè)調(diào)度進(jìn)程。注意其值為單調(diào)遞增，在每個(gè)調(diào)度器的時(shí)鐘中斷時(shí)當(dāng)前進(jìn)程的虛擬運(yùn)行時(shí)間都會(huì)累加。單純的說(shuō)就是進(jìn)程們都在比誰(shuí)的vruntime最小，最小的將被調(diào)度。

• cfs_rq：此調(diào)度實(shí)體所處于的CFS運(yùn)行隊(duì)列。

• my_q：如果此調(diào)度實(shí)體代表的是一個(gè)進(jìn)程組，那么此調(diào)度實(shí)體就包含有一個(gè)自己的CFS運(yùn)行隊(duì)列，其CFS運(yùn)行隊(duì)列中存放的是此進(jìn)程組中的進(jìn)程，這些進(jìn)程就不會(huì)在其他CFS運(yùn)行隊(duì)列的紅黑樹(shù)中被包含(包括頂層紅黑樹(shù)也不會(huì)包含他們，他們只屬于這個(gè)進(jìn)程組的紅黑樹(shù))。

對(duì)于怎么理解一個(gè)進(jìn)程組有它自己的CFS運(yùn)行隊(duì)列，其實(shí)很好理解，比如在根CFS運(yùn)行隊(duì)列的紅黑樹(shù)上有一個(gè)進(jìn)程A一個(gè)進(jìn)程組B，各占50%的CPU，對(duì)于根的紅黑樹(shù)而言，他們就是兩個(gè)調(diào)度實(shí)體。調(diào)度器調(diào)度的不是進(jìn)程A就是進(jìn)程組B，而如果調(diào)度到進(jìn)程組B，進(jìn)程組B自己選擇一個(gè)程序交給CPU運(yùn)行就可以了，而進(jìn)程組B怎么選擇一個(gè)程序給CPU，就是通過(guò)自己的CFS運(yùn)行隊(duì)列的紅黑樹(shù)選擇，如果進(jìn)程組B還有個(gè)子進(jìn)程組C，原理都一樣，就是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。 而在 struct task_struct 結(jié)構(gòu)中，我們注意到有個(gè)調(diào)度類，里面包含的是調(diào)度處理函數(shù)，它具體如下：

• 這個(gè)調(diào)度類具體有什么用呢，實(shí)際上在內(nèi)核中不同的調(diào)度算法它們的操作都不相同，為了方便修改、替換調(diào)度算法，使用了調(diào)度類，每個(gè)調(diào)度算法只需要實(shí)現(xiàn)自己的調(diào)度類就可以了，CFS算法有它的調(diào)度類，SCHED_FIFO也有它自己的調(diào)度類，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，用什么調(diào)度算法就將其 task_struct->sched_class 指向其相應(yīng)的調(diào)度類，調(diào)度器每次調(diào)度處理時(shí)，就通過(guò)當(dāng)前進(jìn)程的調(diào)度類函數(shù)進(jìn)程操作，大大提高了可移植性和易修改性。

CFS運(yùn)行隊(duì)列(struct cfs_rq)

• 我們現(xiàn)在知道，在系統(tǒng)中至少有一個(gè)CFS運(yùn)行隊(duì)列，其就是根CFS運(yùn)行隊(duì)列，而其他的進(jìn)程組和進(jìn)程都包含在此運(yùn)行隊(duì)列中，不同的是進(jìn)程組又有它自己的CFS運(yùn)行隊(duì)列，其運(yùn)行隊(duì)列中包含的是此進(jìn)程組中的所有進(jìn)程。當(dāng)調(diào)度器從根CFS運(yùn)行隊(duì)列中選擇了一個(gè)進(jìn)程組進(jìn)行調(diào)度時(shí)，進(jìn)程組會(huì)從自己的CFS運(yùn)行隊(duì)列中選擇一個(gè)調(diào)度實(shí)體進(jìn)行調(diào)度(這個(gè)調(diào)度實(shí)體可能為進(jìn)程，也可能又是一個(gè)子進(jìn)程組)，就這樣一直深入，直到最后選出一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行為止。

• 對(duì)于 struct cfs_rq 結(jié)構(gòu)沒(méi)有什么好說(shuō)明的，只要確定其代表著一個(gè)CFS運(yùn)行隊(duì)列，并且包含有一個(gè)紅黑樹(shù)進(jìn)行選擇調(diào)度進(jìn)程即可。

• load：其保存的是進(jìn)程組中所有進(jìn)程的權(quán)值總和，需要注意子進(jìn)程計(jì)算vruntime時(shí)需要用到進(jìn)程組的load。CPU運(yùn)行隊(duì)列(struct rq)

• 每個(gè)CPU都有自己的 struct rq 結(jié)構(gòu)，其用于描述在此CPU上所運(yùn)行的所有進(jìn)程，其包括一個(gè)實(shí)時(shí)進(jìn)程隊(duì)列和一個(gè)根CFS運(yùn)行隊(duì)列，在調(diào)度時(shí)，調(diào)度器首先會(huì)先去實(shí)時(shí)進(jìn)程隊(duì)列找是否有實(shí)時(shí)進(jìn)程需要運(yùn)行，如果沒(méi)有才會(huì)去CFS運(yùn)行隊(duì)列找是否有進(jìn)行需要運(yùn)行，這就是為什么常說(shuō)的實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)比普通進(jìn)程高，不僅僅體現(xiàn)在prio優(yōu)先級(jí)上，還體現(xiàn)在調(diào)度器的設(shè)計(jì)上，至于dl運(yùn)行隊(duì)列，我暫時(shí)還不知道有什么用處，其優(yōu)先級(jí)比實(shí)時(shí)進(jìn)程還高，但是創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)如果創(chuàng)建的是dl進(jìn)程創(chuàng)建會(huì)錯(cuò)誤(具體見(jiàn)sys_fork)。