调度器简介,以及Linux的调度策略

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系统守护进程是操作系统虚拟出来的概念,用来组织计算机中的任务。但随着系统守护进程被赋予太满的任务,系统守护进程好像有了真实的生命,它从诞生就随着CPU时间执行,直到最终消失。不过,系统守护进程的生命都得到了操作系统内核的关照。就好像疲于照顾有几个孩子的母亲内核可我太满 能做出决定,怎样在系统守护进程间分配有限的计算资源,最终让用户获得最佳的使用体验。内核中安排系统守护进程执行的模块称为调度器(scheduler)。这里将介绍调度器的工作办法 。

系统守护进程情况

调度器可我太满 能 切换系统守护进程情况(process state)。有一一另一个Linux系统守护进程从被创建到死亡,或者 会经过却说 有种情况,比如执行、暂停、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出等。没如此人儿可我太满 能 把Linux下繁多的系统守护进程情况,归纳为四种 生活基本情况。

  • 就绪(Ready): 系统守护进程或者 获得了CPU以外的所有必要资源,如系统守护进程空间、网络连接等。就绪情况下的系统守护进程等到CPU,便可立即执行。
  • 执行(Running):系统守护进程获得CPU,执行系统守护进程。
  • 阻塞(Blocked):当系统守护进程或者 听候某个事件而无法执行时,便放弃CPU,占据 阻塞情况。

 

图1 系统守护进程的基本情况

系统守护进程创建后,就自动变成了就绪情况。或者 内核把CPU时间分配给该系统守护进程,如此 系统守护进程就从就绪情况变成了执行情况。在执行情况下,系统守护进程执行指令,最为活跃。正在执行的系统守护进程可我太满 能 主动进入阻塞情况,比如这个 系统守护进程可我太满 能将一要素硬盘中的数据读取到内存中。在这段读取时间里,系统守护进程如此 使用CPU,可我太满 能 主动进入阻塞情况,让出CPU。当读取现在现在之前 刚开始 时,计算机硬件发出信号,系统守护进程再从阻塞情况恢复为就绪情况。系统守护进程也可我太满 能 被迫进入阻塞情况,比如接收到SIGSTOP信号。

调度器是CPU时间的管理员。Linux调度器可我太满 能负责做两件事:一件事是选着 却说 就绪的系统守护进程来执行;另一件事是打断却说 执行中的系统守护进程,让它们变回就绪情况。不过,并完整都是所有的调度器完整都是第有一个功能。有的调度器的情况切换是单向的,如此 让就绪系统守护进程变成执行情况,如此 把正在执行中的系统守护进程变回就绪情况。支持双向情况切换的调度器被称为抢占式(pre-emptive)调度器。

调度器在让有一一另一个系统守护进程变回就绪时,就会立即让另有一一另一个就绪的系统守护进程现在现在之前 刚开始 执行。多个系统守护进程接替使用CPU,从而最大传输数率地利用CPU时间。当然,或者 执行中系统守护进程主动进入阻塞情况,如此 调度器也会选着 另有一一另一个就绪系统守护进程来消费CPU时间。所谓的上下文切换(context switch)却说 指系统守护进程在CPU中切换执行的过程。内核承担了上下文切换的任务,负责储存和重建系统守护进程被切换掉以前的CPU情况,从而让系统守护进程感觉如此 本人的执行被中断。应用系统守护进程的开发者在编写计算机系统守护进程时,就我太满 专门写代码处理上下文切换了。 

系统守护进程的优先级

调度器分配CPU时间的基本办法 ,却说 系统守护进程的优先级。根据系统守护进程任务性质的不同,系统守护进程可我太满 能 有不同的执行优先级。根据优先级特点,没如此人儿可我太满 能 把系统守护进程分为四种 生活类别。

  • 实时系统守护进程(Real-Time Process):优先级高、可我太满 能尽快被执行的系统守护进程。它们一定如此 被普通系统守护进程所阻挡,同类视频播放、各种监测系统。
  • 普通系统守护进程(Normal Process):优先级低、更长执行时间的系统守护进程。同类文本编译器、批处理一段文档、图形渲染。

普通系统守护进程根据行为的不同,还可我太满 能 被分成互动系统守护进程(interactive process)和批处理系统守护进程(batch process)。互动系统守护进程的例子有图形界面,它们或者 占据 长时间的听候情况,同类听候用户的输入。一旦特定事件占据 ,互动系统守护进程可我太满 能尽快被激活。一般来说,图形界面的反应时间是3000到3000毫秒。批处理系统守护进程如此 与用户交互的,往往在后台被默默地执行。

实时系统守护进程由Linux操作系统创造,普通用户如此 创建普通系统守护进程。四种 生活系统守护进程的优先级不同,实时系统守护进程的优先级永远高于普通系统守护进程。系统守护进程的优先级是有一一另一个0到139的整数。数字越小,优先级越高。其中,优先级0到99留给实时系统守护进程,3000到139留给普通系统守护进程。

有一一另一个普通系统守护进程的默认优先级是120。没如此人儿可我太满 能 用命令nice来修改有一一另一个系统守护进程的默认优先级。同类有有一一另一个可执行系统守护进程叫app,执行命令:

命令中的-20指的是从默认优先级上减去20。通过这个 命令执行app系统守护进程,内核会将app系统守护进程的默认优先级设置成3000,也却说 普通系统守护进程的最高优先级。命令中的-20可我太满 能 被再加-20至19中任何有一一另一个整数,包括-20 和 19。默认优先级或者 变成执行时的静态优先级(static priority)。调度器最终使用的优先级根据的是系统守护进程的动态优先级:

动态优先级 = 静态优先级 – Bonus + 5

或者 这个 公式的计算结果小于3000或大于139,或者 取3000到139范围内最接近计算结果的数字作为实际的动态优先级。公式中的Bonus是有一一另一个估计值,这个 数字越大,代表着它或者 越可我太满 能被优先执行。或者 内核发现这个 系统守护进程可我太满 能一直 跟用户交互,或者 把Bonus值设置成大于5的数字。或者 系统守护进程不一直 跟用户交互,内核或者 把系统守护进程的Bonus设置成小于5的数。

O(n)和O(1)调度器

下面介绍Linux的调度策略。最原始的调度策略是按照优先级排列好系统守护进程,等到有一一另一个系统守护进程运行完了再运行优先级较低的有一一另一个,但这个 策略完整无法发挥多任务系统的优势。或者 ,随着时间推移,操作系统的调度器也多次进化。

先来看Linux 2.4内核推出的O(n)调度器。O(n)这个 名字,来源于算法复杂化度的大O表示法。大O符号代表这个 算法在最坏情况下的复杂化度。字母n在这里代表操作系统中的活跃系统守护进程数量。O(n)表示这个 调度器的时间复杂化度和活跃系统守护进程的数量成正比。

O(n)调度器把时间分成少许的微小时间片(Epoch)。在每个时间片现在现在之前 刚开始 的以前,调度器会检查所有占据 就绪情况的系统守护进程。调度器计算每个系统守护进程的优先级,或者 选着 优先级最高的系统守护进程来执行。一旦被调度器切换到执行,系统守护进程可我太满 能 不被打扰地用尽这个 时间片。或者 系统守护进程如此 用尽时间片,如此 该时间片的剩余时间会增加到下有一一另一个时间片中。

O(n)调度器在每次使用时间片前完整都是检查所有就绪系统守护进程的优先级。这个 检查时间和系统守护进程中系统守护进程数目n成正比,这也正是该调度器复杂化度为O(n)的导致 。当计算机暗含少许系统守护进程在运行时,这个 调度器的性能或者 被大大降低。也却说 说,O(n)调度器如此 很好的可拓展性。O(n)调度器是Linux 2.6以前使用的系统守护进程调度器。当Java语言逐渐流行后,或者 Java虚拟或者 创建少许系统守护进程,调度器的性能难题变得更加明显。

为了处理O(n)调度器的性能难题,O(1)调度器被发明权家 了出来,并从Linux 2.6内核现在现在之前 刚开始 使用。顾名思义,O(1)调度器是指调度器每次选着 要执行的系统守护进程的时间完整都是有一一另一个单位的常数,和系统中的系统守护进程数量无关。另有一一另一个,就算系统暗含少许的系统守护进程,调度器的性能却说 会下降。O(1)调度器的创新之占据 于,它会把系统守护进程按照优先级排好,放上去特定的数据形状中。在选着 下有一一另一个要执行的系统守护进程时,调度器我太满 遍历系统守护进程,就可我太满 能 直接选着 优先级最高的系统守护进程。

和O(n)调度器同类,O(1)也是把时间片分配给系统守护进程。优先级为120以下的系统守护进程时间片为:

(140–priority)×20毫秒

优先级120及以上的系统守护进程时间片为:

(140–priority)×5 毫秒

O(1)调度器会用有一一另一个队列来存放上去程。有一一另一个队列称为活跃队列,用于存储哪此待分配时间片的系统守护进程。另有一一另一个队列称为过期队列,用于存储哪此或者 享用过时间片的系统守护进程。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出有一一另一个系统守护进程。这个 系统守护进程用尽时间片,就会转移到过期队列。当活跃队列的所有系统守护进程都被执行以前,调度器就会把活跃队列和过期队列对调,用同样的办法 继续执行哪此系统守护进程。

上方的描述如此 考虑优先级。加入优先级后,情况会变得复杂化却说 。操作系统会创建140个活跃队列和过期队列,对应优先级0到139的系统守护进程。一现在现在之前 刚开始 ,所有系统守护进程完整都是放上去活跃队列中。或者 操作系统会从优先级最高的活跃队列现在现在之前 刚开始 依次选着 系统守护进程来执行,或者 有一一另一个系统守护进程的优先级相同,没如此人有相同的概率被选中。执行一次后,这个 系统守护进程会被从活跃队列中剔除。或者 这个 系统守护进程在这次时间片中如此 彻底完成,它会被加入优先级相同的过期队列中。当140个活跃队列的所有系统守护进程都被执行以前,过期队列中或者 有却说 有系统守护进程。调度器将对调优先级相同的活跃队列和过期队列继续执行下去。过期队列和活跃队列,如图2所示。

图2 过期队列和活跃队列(可我太满 能替换)

没如此人儿下面看有一一另一个例子,有有一个系统守护进程,如表1所示。

表1 系统守护进程



Linux操作系统中的系统守护进程队列(run queue),如表2所示。

表2 系统守护进程队列

如此 在有一一另一个执行周期,被选中的系统守护进程依次是先A,或者 B和C,以后是D,最后是E。

注意,普通系统守护进程的执行策略并如此 保证优先级为3000的系统守护进程会先被执行完进入现在现在之前 刚开始 情况,再执行优先级为101的系统守护进程,却说 在每个对调活跃和过期队列的周期中完整都是或者 被执行,这个 设计是为了处理系统守护进程饥饿(starvation)。所谓的系统守护进程饥饿,却说 优先级低的系统守护进程以后都如此 或者 被执行。

没如此人儿看了,O(1)调度器在选着 下有一一另一个要执行的系统守护进程时很简单,如此 遍历所有系统守护进程。或者 它依然有却说 缺点。系统守护进程的运行顺序和时间片长度极度依赖于优先级。比如,计算优先级为3000、110、120、1300和139这有几个系统守护进程的时间片长度,如表3所示。

表3 系统守护进程的时间片长度

从表格中以后发现,优先级为110和120的系统守护进程的时间片长度差距比120和1300之间的大了10倍。也却说 说,系统守护进程时间片长度的计算占据 很大的随机性。O(1)调度器会根据平均休眠时间来调整系统守护进程优先级。该调度器假设哪此休眠时间长的系统守护进程是在听候用户互动。哪此互动类的系统守护进程应该获得更高的优先级,以便给用户更好的体验。一旦这个 假设不成立,O(1)调度器对CPU的调配就会出现难题。

完整公平调度器

从30007年发布的Linux 2.6.23版本起,完整公平调度器(CFS,Completely Fair Scheduler)取代了O(1)调度器。CFS调度器不对系统守护进程进行任何形式的估计和猜测。这却说 和O(1)区分互动和非互动系统守护进程的做法完整不同。

CFS调度器增加了有一一另一个虚拟运行时(virtual runtime)的概念。每次有一一另一个系统守护进程在CPU中被执行了一段时间,就会增加它虚拟运行时的记录。在每次选着 要执行的系统守护进程时,完整都是选着 优先级最高的系统守护进程,却说 选着 虚拟运行时为宜的系统守护进程。完整公平调度器用四种 生活叫红黑树的数据形状取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树可我太满 能 高效地找到虚拟运行最小的系统守护进程。

没如此人儿先通过例子来看CFS调度器。若果一台运行的计算机中另有一一另一个拥有A、B、C、D有一个系统守护进程。内核记录着每个系统守护进程的虚拟运行时,如表4所示。

表4 每个系统守护进程的虚拟运行时

系统增加有一一另一个新的系统守护进程E。新创建系统守护进程的虚拟运行时我太满 被设置成0,而会被设置成当前所有系统守护进程最小的虚拟运行时。这能保证该系统守护进程被较快地执行。在另有一一另一个的系统守护进程中,最小虚拟运行时是系统守护进程A的1 000纳秒,或者 E的初始虚拟运行完整都是被设置为1 000纳秒。新的系统守护进程列表如表5所示。

表5 新的系统守护进程列表

若果调度器可我太满 能选着 下有一一另一个执行的系统守护进程,系统守护进程A会被选中执行。系统守护进程A会执行有一一另一个调度器决定的时间片。若果系统守护进程A运行了23000纳秒,那它的虚拟运行时增加。而却说 的系统守护进程如此 运行,却说 有虚拟运行时不变。在A消耗完时间片后,更新后的系统守护进程列表,如表6所示。

表6 更新后的系统守护进程列表

可我太满 能 看了,系统守护进程A的排序下降到了第三位,下有一一另一个将要被执行的系统守护进程是系统守护进程E。从本质上看,虚拟运行时代表了该系统守护进程或者 消耗了有几个CPU时间。或者 它消耗得少,如此 理应优先获得计算资源。

按照上述的基本设计理念,CFS调度器能让所有系统守护进程公平地使用CPU。听起来,这让系统守护进程的优先级变得毫无意义。CFS调度器也考虑到了这却说 。CFS调度器会根据系统守护进程的优先级来计算有一一另一个时间片因子。同样是增加23000纳秒的虚拟运行时,优先级低的系统守护进程实际获得的或者 如此 3000纳秒,而优先级高的系统守护进程实际获得或者 有3000纳秒。另有一一另一个,优先级高的系统守护进程就获得了更多的计算资源。

以上却说 调度器的基本原理,以及Linux用过的几种调度策略。调度器可我太满 能 更加合理地把CPU时间分配给系统守护进程。现代计算机完整都是多任务系统,调度器在多任务系统中起着顶梁柱的作用。

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