Linux-进程调度器

1. 前言

在计算机中，进程的数量远多于cpu的数量，所以就存在，多个进程抢占一个cpu的情况，所以就需要一套规则，决定这些进程被处理的顺序，这就叫做进程调度。

在我的简单理解下，其实就是把进程放在一个队列中，cpu挨个去执行，但是后面知道了进程具有并发性 ，其实就是，一个cpu在某一时刻，只能处理一个进程，但是cpu并不会处理完这个进程，而是处理很短的时间（毫秒级别），进程在cpu上跑的时间段，我们称之为时间片。不论处理的怎么样，结束没结束不重要，接着处理下一个，这个进程中间的上下文数据被保存到进程PCB中，然后去排队吧。

这就是并发，虽然在某一时刻，我只在处理一个任务，但是在一个时间段，我就相当于同时处理多个任务。这些任务是被同步推进的。

后面还有进程优先级的概念，就相当于在排队，但是你VIP你就可以按照规则排在前面。

但是对于cpu而言，他只是负责计算，至于这些进程的优先级处理我并不关心，我只想要知道下一个进程是谁。那进程排序的规则是什么，又是谁来维护呢？

2. 进程调度器

进程调度器，它负责计算并决定一个进程何时获取CPU时间以及占用CPU的时长。

不要害怕，这些是我总结的大部分内容的结构图，接下来我会一一介绍这些

你应该看到了，进程调度器在最上面，和cpu交互的那个sched_class，Linux设计的一个结构体类型，里面定义了很多抽象的接口（函数指针）。

cpp 复制代码

struct sched_class{
    // 链表
    const struct sched_class* next; 

    // 向运行队列添加一个进程
    void(*enqueue_task)(struct rq* rq, struct task_struct* p, int flags);

    // ...
    
    // 挑选下一个优先级更高的进程
    struct task_struct(*pick_next_task)(struct rq* rq, struct task_struct* prev, struct rq_flags* rf);
}

enqueue_task：向运行队列中插入一个进程

pick_next_task：从运行队列中挑选下一个优先级更高的进程

里面类似的函数指针还有很多，实现不同的功能。其次调度器其实是一个链表。进程通用调度器提供了一个模板，调度类其实就是这些类型的实现，以及对这些接口的实现。

3. 进程调度类

为什么要实现这么多的调度类呢，因为不同的使用场景：

stop调度类，是系统内核线程所使用，用户不能使用，优先级最高，任务一但被执行，它将不能被抢占，不能被切换，其将一直执行下去，直至进程执行完或主动让出cpu。

截止日期（dl）调度类，这个任务有最后期限，必须在任务最后期限之前完成，例如播放视频，一秒钟60帧的视频，大概每16毫秒就要播放一帧画面，这个就是最后期限

实时（rt）调度类，需要立马执行的任务，需要具有实时的特性，就像驾驶系统的刹车任务，必须要实时响应

完全公平（fair）调度类，这些任务都是完全公平的接受"相同"的时间，这个时间其实是虚拟时间，后面会说

空闲（ide）调度类，没有其他进程需要执行，就轮到它了

因为每个调度类都有自己的排序规则，所以Linux就使用这种设计：第一层，定义结构体类型，定义抽象的操作接口，比如向运行队列插入一个任务，从运行队列中挑选一个任务；第二层，调度类，根据自身类的特点，实现具体的操作。

通过这样两层，调度器可以从每个调度类的细节实现中抽离出来

4. 进程运行队列

运行队列，顾名思义，运行队列...

调度类，是方法的实现，你需要插入任务啊，还是删除任务，还是选择任务，这些方法都可以通过调度类的函数方法实现，但是没有数据只有方法肯定是不行的。

运行队列，其实就是对各个进程的通过数据结构管理起来，简而言之存放进程的地方

不同的调度类，需要不同的数据结构来进行管理，所以就出现了不同的运行队列，例如实时调度类就要有先进先出队列，环形队列。截止日期调度类和完全公平调度类依赖的数据结构都是红黑树。

5. 进程调度过程

进程的调度是从调用通用调度器开始的，kernel/sched/core.c中定义的schedule()函数。该函数的功能是挑选下一个最佳的可运行任务。schedule()函数中的pick_next_task()遍历调度类中包含的所有对应的函数，并最终选出要运行的下一个最佳任务。

---摘自《精通Linux内核开发》

prev是一个task_struct*类型的指针，task_struct内部包含一个sched_class*类型的指针，指向该进程属于的调度类。

6. CFS完全公平调度类（浅谈）

CFS，这里主要谈谈以下三点：虚拟运行时间（vruntime），权重计算，红黑树排序

前面两个主要是为了CFS的公平和优先级，最后一个决定运行队列的数据结构

如何能够保证在这个类中的所有进程都是完全公平的接受cpu的调度呢，但是还有优先级。你一听，这不是互相矛盾嘛，又要公平，又要有优先级。确实矛盾。但是没办法，就是在有优先级的情况下实现公平。

如果只要公平，那就每个进程都运行相同的时间，如果要优先级，那就你先我后，但是你忘记并发了嘛，必须要每一个进程都要上去跑一会。

所以虚拟运行时间（vruntime）和权重计算就是这么来的。

每一个进程都有一个真实运行时间和虚拟运行时间，真实运行时间，就是你真实在cpu上跑了多少毫秒，vruntime其实是根据真实运行时间和优先级权重的权重计算而来的，然后再红黑树中按照vruntime来进行排序。每次pick_next_task都会选择红黑树最左端的进程。

nice值标识进程的优先级，nice值每减少1，CPU的时间片会增加10%

例如：一个A进程nice值为0，另一个B进程nice值为1，假如A进程的时间片是10ms，它也真实跑了10ms，那么他的vruntime就会加10，而B进程时间片是11ms，它也真实跑了11ms，但是根据权重计算，它的vruntime只会加10.由此实现完全公平。

7. 实时调度类（浅谈）

实时调度类，它的运行队列的数据结构是带头双向链表。

它有两种调度策略：

SCHED_FIFO(先进先出实时调度策略)

进程一旦获得CPU执行权，就会一直运行下去，直到该进程自愿放弃CPU，实时进程按照优先级队列排序

SCHED_RR(轮转实时调度策略)

进程在执行完一个时间片后，即使没有完成任务，也会被迫让出CPU给同一优先级的其他进程，同一优先级的实时进程能够实现时间片的轮转，确保在紧迫性相同的情况下公平分配CPU时间

8. 总结

Linux内核的知识非常多，对于进程调度这一块内容有很多，这篇博客只能带大家揭开内核神秘面纱的一角，希望大家有所收获。

关于进程调度器的代码啊，我建议大家可以看看这篇博客：http://t.csdnimg.cn/ORcS7

完