Linux进程调度机制笔记

1 Linux任务调度基本概念

1.1 task_struct

  Linux系统上执行很多进程、线程，但在内核中这些都被称为“任务”，而内核调度的单位也是“任务”，即线程。

  进程和线程的差别在于进程有单独的内存，而线程要和其他线程共享内存。一个进程可以包含很多个线程，所以进程可以理解为线程组。内核代码task_struct结构体里面，刚好有个线程组号tgid。当task_struct中pid与tgid相等时，那么这个线程/任务就是线程组的主线程，即进程号。

  进程号和线程号变量在task_struct结构体内，源码在sched.h中，如下图：

  

  注意，在Linux系统用户态，终端输入ps显示的pid是进程号，用户态的pthread提供了pthread_t来表示线程号，和内核是不同的。

1.2 cpu工作流程

  cpu其实只做两件事：读指令和执行指令。

  while(1){

    读指令；

    执行指令；

  }

  如上是cpu的工作流程，“指令”可以理解成一条条汇编语句。

1.3 任务响应时间和周转时间

  响应时间：从任务到达到任务开始执行的时间；

  周转时间：从任务达到到任务执行完成的时间；

  由以上，不难理解平均响应时间就是所有任务的响应时间总和的平均值，平均周转时间就是所有任务的周转时间总和的平均值，这2个值不能兼得，因此操作系统调度机制重要的就是找到这2者的平衡点。

  想象一下，操作系统同时收到2个任务，一个任务A只需要10s，一个任务B却需要100s，那么为了减小总等待时间，当然应该让A先执行；可是如果这个时候又来了个任务C，需要2s就能完成，又让B继续等待，这样B可能会一直等待；那么如果按先来后到处理，让B执行10s完成后，C再执行，这样C就要等待10s等待时间太长了；那么如果轮询处理，每个任务处理1s，然后处理下个任务，这样的话每个任务等待时间都少，但是频繁的切换任务，整个效率就下降了；又或者有个任务等级很高，要优先处理。。。基于不同的场景和效率评估，有了不同的调度策略

  注：下文代码基于Linux 5.10.1版本查看。

 

2 调度策略的实现

  上文我们已经知道Linux对进程会采取不同的调度策略，每一种调度策略都有对于的调度类来实现具体算法，在include/linux/sched.h中，又如下图：

  

  上图罗列了Linux内核支持的调度类。

2.1 公平调度类

我们具体看各个调度类的实现，先看公平调度类，如下图：

  

  上图是公平调度类的算法实现，他有一个虚拟时间vruntime来记录任务的运行时间，运行时间少的任务会被优先运行，这样就能让所有任务得到相对公平的运行。

  当然，还可以给这些任务添加一个权重，然后根据权重调整虚拟运行时间，这样就能同时满足优先级和公平。

  上图中，我们重点关注update_curr_fair这个函数，他就是更新运行时间的函数，这个函数源码在kernel/sched/fair.c中（说到看代码，电脑卡的同学可以把drivers、tools、Documentation目录暂时挪走，这样代码索引会更快），代码如下图：

  

  这里rq指向的curr是结构体task_struct, se是里面的成员struct sched_entity se; struct sched_entity se是调度实体，这些实体里面记载了虚拟运行时间vruntime。任务的节点又通过红黑树结构进行管理。

  而cfs_rq_of返回的是struct cfs_rq，如下图：

  

  我们再看update_curr就会知道它根据cfs_rq找到sched_entity，然后更新sched_entity中的时间。

  

  我们再看sched_entity结构体源码：

  

  上图中cfs_rq指向了调度队列。每个cpu都有自己的调度队列。这个队列根据不同的调度策略又划分成不同的子队列，各个队列结构体成员中又有成员指向红黑树的根节点。

  那么，调度类如何使用调度实体和调度队列？

  上面公平调度类代码中，我们看到公平调度类中有个成员pick_next_pick,这个函数就算找到下一个要执行的任务。

  __pick_next_task_fair调用到pick_next_task_fair，这个函数从红黑树中找到执行时间最小的任务，然后返回这个任务对于的task_struct.

  那么，什么时候会执行调度呢？有两种情况，主动调度和被动调度，主动调度就是主动调用schedule函数，必然一个任务sleep，就会主动让出cpu；另一个情况是被动调度，就是抢占式调度。

  主动调度很容易理解，下面主要讲解被动调度。