小知识，大挑战！本文正在参与“程序员必备小知识”创作活动。

简介

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，那么它跟进程调度没多大关系。调度程序即(scheduler)决定了多个程序运行策略，调度程序的最大原则在于能够最大限度的利用计算资源。多任务系统可以划分为两类：非抢占式多任务, 抢占式多任务。

进程优先级

进程提供了两种优先级：普通进程优先级和实时优先级。普通优先级调度特点：根据动态优先级调度，动态优先级由静态优先级调整而来。实时优先级采用两种调度算法：SCHED_FIFO（先入先出调度算法）、SCHED_RR（时间片轮询调度算法）。实时优先级调度特点：只有静态优先级，不会调整优先级，默认优先级0-99（MAX_RT_PRIO=100）。nice值只影响100~100+40的进程优先级。

不同调度策略的实时进程只有在相同优先级时才有可比性：

对于FIFO的进程，意味着只有当前进程执行完毕才会轮到其他进程执行。
对于RR的进程。一旦时间片消耗完毕，则会将该进程置于队列的末尾，然后运行其他相同优先级的进程，如果没有其他相同优先级的进程，则该进程会继续执行。

调度策略

调度策略是模块化设计的，调度器根据不同的进程依次遍历不同的调度策略，找到进程对应的调度策略，调度的结果即为选出一个可运行的进程指针，并将其加入到进程可运行队列中。如下图：调度.PNG CFS完全公平调度： CFS并不采用严格规则来为一个优先级分配某个长度的时间片，而是为每个任务分配一定比例的CPU处理时间。每个任务分配的具体比例是根据友好值来计算的。友好值的范围从-20到+19，数值较低的友好值表示较高的相对优先级。具有较低友好值的任务，与具有较高友好值的任务相比，会得到更高比例的处理器处理时间。默认友好值为0。CFS的出发点基于一个简单的理念：即所有进程实际占用处理器CPU的时间应为一致，目的是确保每个进程公平的处理器使用比。

FIFO先入先出队列：不基于时间片调度，处于可运行状态的SCHED_FIFO级别的进程比SCHED_NORMAL有更高优先级得到调度，一旦SCHED_FIFO级别的进程处于可执行的状态，它就会一致运行，直到进程阻塞或者主动释放。

RR(Round-Robin)：SCHED_RR级别的进程在耗尽事先分配的时间片之后就不会继续执行。即可以理解将RR调度理解为带有时间片的SCHED_FIFO。 FIFO和RR调度算法都为静态优先级。内核不为实时进程计算动态优先级，保证了优先级别高的实时进程总能抢找优先级比它低的进程。

Linux进程调度的实现

主要讲一下CFS调度实现，4个点：时间记录，选择进程，睡眠和唤醒。 task_struct:为进程任务基础数据结构，存储着进程相关信息 sched_entity:存储着进程调度相关的信息，其中run_node为可执行红黑树的节点 ofs_rq: 存储着rb_root，红黑树的根节点task_timeline slab: linux内核对于对象内存的一种高效的管理机制, 可以有效的降低内存碎片。task_struct这类数据结构由slab分配并管理。

时间记录

CFS 没有使用离散的时间片，而是采用目标延迟，这是每个可运行任务应当运行一次的时间间隔。根据目标延迟，按比例分配 CPU 时间。除了默认值和最小值外，随着系统内的活动任务数量超过了一定阈值，目标延迟可以增加。CFS 调度程序没有直接分配优先级。相反，它通过每个任务的变量 vruntime 以便维护虚拟运行时间，进而记录每个任务运行多久。虚拟运行时间与基于任务优先级的衰减因子有关，更低优先级的任务比更高优先级的任务具有更高衰减速率。对于正常优先级的任务（友好值为 0），虚拟运行时间与实际物理运行时间是相同的。即CFS的vruntime += 处理器运行时间 * nice对应的权重。

// sched.h
struct sched_entity {
 struct load_weight load;  /* for load-balancing 用来做负载均衡 */ 
 struct rb_node  run_node;   /* 红黑树运行节点 */
 struct list_head group_node;
 unsigned int  on_rq;      /* 表明是否在可运行的队列中 */

 u64   exec_start;
 u64   sum_exec_runtime;
 u64   vruntime;           /* 虚拟运行时间，通常是加权的虚拟运行时间 */
 u64   prev_sum_exec_runtime;

 u64   last_wakeup;
 u64   avg_overlap;

 u64   nr_migrations;

 u64   start_runtime;
 u64   avg_wakeup;
}

选择进程

当CFS调度器选择下一个要进行调度的进程时，就会选择具有最小vruntime的任务。涉及到获取最小值，以及有序数据结构，在各种场景下都很适用的红黑树就发挥了其作用。即用红黑树维护以vruntime为排序条件，存储着任务的运行情况。进程的维护都在红黑树上进行相关操作：

选择下一个任务执行__pick_next_entity函数即获取了红黑树最左的节点（最小值）。
向红黑树中加入进程这一步骤发生在进程变成可运行态，或者通过fork系统调用第一次创建进程时。
从红黑树中删除进程这一步操作发生在进程阻塞，即进程变成不可运行状态或者当进程终止时。

睡眠和唤醒

休眠（被阻塞）状态的进程处于不可执行的状态。进程休眠的原因有多种多样，但通常来说都是等待某一事件的发生，例如等待I/O, 等待设备输入等等。

休眠：进程首先把自己标记为休眠状态(TASK_INTERRUPTIBLE)，然后从可执行红黑树中移除该进程，并将进程放入等待队列唤醒：进程被置为可执行状态(TASK_RUNNING)，进程从等待队列移入可执行红黑树中休眠或者阻塞状态有两种：可中断休眠(TASK_INTERRUPTIBLE), 不可中断休眠(TASK_UNINTERRUPTIBLE). 通常进程的休眠，为可中断休眠，即进程进入休眠，等待某一事件发生。一旦事件发生，或者满足条件，内核将会把进程状态置为运行，并将进程从等待队列中移除。

进程进入等待休眠队列如下：

void wait(){ 
 // 创建一个等待队列的项 'q'
 DEFINE_WAIT(wait);
 // 把自己加入到等待队列中
 add_wait_queue(q, &wait);
 while(!condition){ //condition 为等待的事件
 prepare_to_wait(&q, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);
 if(signal_pending(current)){
 // 处理信号
        }
  // 进行一次调度
  schedule(); 
    }
 finish_wait(q, &wait);
}

总结

CFS是动态计算程序优先级的一种调度算法，其内部算法核心是选取vruntime最小的进程进行调度运行，而维护最小的进程，使用了红黑树，而计算vruntime使用了所有进程数以及nice值的加权。

linux进程调度

简介