【C/C++】内核开发之进程调度大纲

文章目录

  • 内核开发之进程调度大纲
    • [1 进程调度基础](#1 进程调度基础)
    • [2 核心调度算法:CFS(完全公平调度器)](#2 核心调度算法:CFS(完全公平调度器))
    • [3 调度器实现机制](#3 调度器实现机制)
    • [4 高级主题](#4 高级主题)
    • [5 实践与扩展](#5 实践与扩展)

内核开发之进程调度大纲

1 进程调度基础

  1. 多任务系统类型

    • 抢占式:调度器强制切换进程(基于时间片/优先级)
    • 非抢占式:进程主动让步(yield),易导致饥饿
    • 时间片(Timeslice):进程被抢占前持续运行的时间段,影响响应与吞吐平衡。
  2. 进程分类与调度目标

    • I/O消耗型:频繁阻塞(如GUI应用),需高响应优先级
    • CPU消耗型:长期占用CPU(如计算任务),适合长时片
    • 核心矛盾:响应速度(低延迟) vs. 系统吞吐量(高利用率)
  3. 优先级模型

    • Nice值(-20~19):值越大优先级越低,影响普通进程时间片比例
    • 实时优先级(0~99):值越大优先级越高,用于SCHED_FIFO/SCHED_RR
    • 优先级映射:实时进程 > 普通进程(Nice值无效)

2 核心调度算法:CFS(完全公平调度器)

  1. 设计目标

    • 公平性:各进程获得CPU时间与其权重成比例
    • 低开销:O(1)时间复杂度选择进程
    • 交互优化:保障I/O型进程响应速度。
  2. 关键机制

    • 虚拟运行时(vruntime):

      c 复制代码
      // struct sched_entity (kernel/sched/sched.h)
      u64 vruntime; // 标准化后的运行时间(纳秒)

      公式:vruntime += 实际运行时间 × (NICE_0_LOAD / 进程权重)

    • 红黑树(rbtree):

      • vruntime为键值组织可运行进程
      • 选择最小vruntime的节点(最左侧叶子)作为下一个进程
    • 时间分配:

      • 进程时间片 = (进程权重 / 总权重) × 调度周期
      • 最小粒度(1ms):避免过多进程时切换开销

3 调度器实现机制

  1. 时间记账(Time Accounting)

    • update_curr():周期性更新当前进程的vruntime(位于kernel/sched/fair.c
    • 计算实际运行时间并转换为加权虚拟时间。
  2. 进程选择

    • 入队:enqueue_entity() → 插入红黑树(新进程/唤醒进程)
    • 出队:dequeue_entity() → 移出红黑树(阻塞/终止)
    • 挑选下一进程:__pick_next_entity() → 返回最小vruntime节点
  3. 调度入口

    • schedule():核心入口函数 → 调用pick_next_task()
    • 按调度类优先级遍历(实时类 > CFS类)
  4. 睡眠与唤醒

    • 睡眠:进程移入等待队列,状态置为TASK_INTERRUPTIBLE
    • 唤醒:wake_up() → 移回红黑树,触发抢占检查

4 高级主题

  1. 抢占(Preemption)

    • 用户抢占:从系统调用/中断返回用户空间时检查need_resched标志
    • 内核抢占:中断返回内核空间时,若preempt_count=0且需调度则抢占
  2. 实时调度策略

    • SCHED_FIFO:无时间片,高优先级进程独占CPU直至阻塞
    • SCHED_RR:带时间片的轮转实时调度
  3. 多核负载均衡

    • 每个CPU维护独立运行队列(struct rq
    • 周期性负载均衡(load_balance())迁移任务

5 实践与扩展

  1. 调度相关系统调用

    系统调用 功能描述
    sched_setscheduler() 设置进程调度策略与优先级
    sched_yield() 主动让出CPU
    sched_setaffinity() 绑定进程到特定CPU核心
  2. 性能调优

    • 调整Nice值:nice命令
    • 实时进程优先级:chrt -p <prio> <pid>
    • 监控工具:ftrace(跟踪调度事件)、perf sched
  3. 扩展阅读

    • 源码重点文件:
      • kernel/sched/fair.c(CFS实现)
      • kernel/sched/rt.c(实时调度)
    • 研究趋势:异构调度(如ARM big.LITTLE)、低延迟优化(BPF调度器)
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