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必须了解的Linux系统中的进程调度

操作系统要实现多进程,进程调度必不可少。有人说,进程调度是操作系统中最为重要的一个部分。我觉得这种说法说得太绝对了一点,就像很多人动辄就说"某某函数比某某函数效率高XX倍"一样,脱离了实际环境,这些结论是比较片面的。

作者:IT小白进阶之路来源:今日头条|2018-05-30 13:42

操作系统要实现多进程,进程调度必不可少。有人说,进程调度是操作系统中最为重要的一个部分。我觉得这种说法说得太绝对了一点,就像很多人动辄就说"某某函数比某某函数效率高XX倍"一样,脱离了实际环境,这些结论是比较片面的。

而进程调度究竟有多重要呢? 首先,我们需要明确一点:进程调度是对TASK_RUNNING状态的进程进行调度。如果进程不可执行(正在睡眠或其他),那么它跟进程调度没多大关系。

所以,如果你的系统负载非常低,盼星星盼月亮才出现一个可执行状态的进程。那么进程调度也就不会太重要。哪个进程可执行,就让它执行去,没有什么需要多考虑的。

反之,如果系统负载非常高,时时刻刻都有N多个进程处于可执行状态,等待被调度运行。那么进程调度程序为了协调这N个进程的执行,必定得做很多工作。协调得不好,系统的性能就会大打折扣。这个时候,进程调度就是非常重要的。

尽管我们平常接触的很多计算机(如桌面系统、网络服务器、等)负载都比较低,但是linux作为一个通用操作系统,不能假设系统负载低,必须为应付高负载下的进程调度做精心的设计。

当然,这些设计对于低负载(且没有什么实时性要求)的环境,没多大用。极端情况下,如果CPU的负载始终保持0或1(永远都只有一个进程或没有进程需要在CPU上运行),那么这些设计基本上都是徒劳的。

优先级

现在的操作系统为了协调多个进程的“同时”运行,最基本的手段就是给进程定义优先级。定义了进程的优先级,如果有多个进程同时处于可执行状态,那么谁优先级高谁就去执行,没有什么好纠结的了。

那么,进程的优先级该如何确定呢?有两种方式:由用户程序指定、由内核的调度程序动态调整。(下面会说到)

linux内核将进程分成两个级别:普通进程和实时进程。实时进程的优先级都高于普通进程,除此之外,它们的调度策略也有所不同。

实时进程的调度

实时,原本的涵义是“给定的操作一定要在确定的时间内完成”。重点并不在于操作一定要处理得多快,而是时间要可控(在最坏情况下也不能突破给定的时间)。

这样的“实时”称为“硬实时”,多用于很精密的系统之中(比如什么火箭、导弹之类的)。一般来说,硬实时的系统是相对比较专用的。

像linux这样的通用操作系统显然没法满足这样的要求,中断处理、虚拟内存、等机制的存在给处理时间带来了很大的不确定性。硬件的cache、磁盘寻道、总线争用、也会带来不确定性。

比如考虑“i++;”这么一句C代码。绝大多数情况下,它执行得很快。但是极端情况下还是有这样的可能:

1、i的内存空间未分配,CPU触发缺页异常。而linux在缺页异常的处理代码中试图分配内存时,又可能由于系统内存紧缺而分配失败,导致进程进入睡眠;

2、代码执行过程中硬件产生中断,linux进入中断处理程序而搁置当前进程。而中断处理程序的处理过程中又可能发生新的硬件中断,中断永远嵌套不止……;

等等……

而像linux这样号称实现了“实时”的通用操作系统,其实只是实现了“软实时”,即尽可能地满足进程的实时需求。

如果一个进程有实时需求(它是一个实时进程),则只要它是可执行状态的,内核就一直让它执行,以尽可能地满足它对CPU的需要,直到它完成所需要做的事情,然后睡眠或退出(变为非可执行状态)。

而如果有多个实时进程都处于可执行状态,则内核会先满足优先级最高的实时进程对CPU的需要,直到它变为非可执行状态。

于是,只要高优先级的实时进程一直处于可执行状态,低优先级的实时进程就一直不能得到CPU;只要一直有实时进程处于可执行状态,普通进程就一直不能得到CPU。

那么,如果多个相同优先级的实时进程都处于可执行状态呢?这时就有两种调度策略可供选择:

1、SCHED_FIFO:先进先出。直到先被执行的进程变为非可执行状态,后来的进程才被调度执行。在这种策略下,先来的进程可以执行sched_yield系统调用,自愿放弃CPU,以让权给后来的进程;

2、SCHED_RR:轮转调度。内核为实时进程分配时间片,在时间片用完时,让下一个进程使用CPU;

强调一下,这两种调度策略以及sched_yield系统调用都仅仅针对于相同优先级的多个实时进程同时处于可执行状态的情况。

必须了解的Linux系统中的进程调度

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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