Linux内核之进程3:进程调度

我不是女神ヾ 2022-12-01 11:46 249阅读 0赞

## 1. 吞吐率和响应 ##

**吞吐**：单位时间内做的有用功；

**响应**：低延迟。

吞吐追求的整个系统CPU做有用功，响应追求的是某个特定任务的延迟低；

1GHZ的CPU切换线程保存恢复现场约几个微妙级别，看似消耗不了太多时间，但是由于系统的局部性原理，会保存当前线程数据的缓存，切换线程会打乱局部性引起cache miss，而CPU访问cache速度远大于内存访问，这样综合看来上下文切换花销还是很大的。无用功占用较多CPU；

追求吞吐量和低延迟，这两个目标是矛盾的

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编译内核选项有如下

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服务器版追求吞吐量，配置为不抢占；桌面版或手机更追求响应，配置为低延迟；

调度器一般讲的是最后一种，低延迟抢占；

## 2. Linux任务类型 ##

问题2: 一个典型的系统内任务分两种：CPU消耗型和IO消耗型

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**CPU型的任务**，通常要求高性能，但是不追求低延迟，优先级较低；

**IO型的任务**，通常优先级更高，**追求低延迟**，对CPU性能不敏感；

如下图，一个读IO循环过程，占用CPU时间极短（1ms），IO占用100ms  
，若CPU性能降一倍，执行CPU占用2ms对整体时间影响不大(总时间102ms)；但是如果CPU不能及时响应，一个读写周期响应延迟100ms，那整体时间变为约200ms，整体性能降低一半；

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所以，IO型任务只关注响应速度，对CPU性能不敏感；

基于此原理ARM公司设计了big.LITTLE架构，比如在手机上有8个核，设计为四大核，四小核；大小核指令集完全兼容，调度器调配IO型的任务跑在小核上(对CPU弱不敏感)，CPU型任务放在大核上跑。这样用4+1(四小核等效)核的功耗实现了8核的性能；

调度器要在吞吐和延迟之间找到某个均衡；

## 3 任务调度 ##

### 1调度原理： ###

涉及两个概念，**策略**和**优先级**；

内核所有进程优先级为0~139之间；

0~99：采用**RT策略**，常用的有SCHED\_FIFO, SCHED\_RR;

SCHED_FIFO, 属于霸占型的，高优先级执行完，才会执行低优先级；

SCHED\_RR, 不同优先级与CHED\_FIFO相同，属于霸占型，同等优先级轮转；

比如有4个进程：P1\_FIFO\_3, P2\_CHED\_RR\_2, P3\_CHED\_RR\_2, P4\_FIFO\_4

执行过程，P2/P3轮转执行完之后，执行P1, 最后执行P4。

100~139：普通线程，采用非RT策略，对应nice(-20, 19).

这里所有优先级都是可以抢占的，但nice 值越低，分配CPU资源越多。

### 2.所有调度，SCHER\_FIFO/SCHER\_RR或设置nice都是针对task\_struct； ###

### 3.将进程设置为FIFO策略: ###

修改进程25020的策略为FIFO, 优先级50

sudo chrt –f –a –p 50 25020

这样进程是按FIFO策略调度，占有CPU最高为80%(普通进程可以接近100%)，CPU占有率降低(但不可抢占)，此时IO延迟反而变大，鼠标操作变慢；

设置FIFO线程api

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内核里优先级=99-50=49

内核态数字越低，优先级越高；用户态相反；

### 4.每个task\_struct的nice都可以单独设置(所有普通线程)； ###

Nice值设置都是指普通线程，RT策略不支持nice；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-92kMjbnu-1598434032356)(media/19aff69f52cbba2224832f52f024a21d.png)\]][img-92kMjbnu-1598434032356_media_19aff69f52cbba2224832f52f024a21d.png]

nice()默认是0

调度，在不同nice值进程间轮转，

2.6早期内核对进程采取奖励和惩罚算法，越睡眠越奖励，越消耗CPU，越惩罚，动态调整nice值，实现极其复杂，后来升级两个补丁；

## **补丁1：RT熔断机制，设置rt门限值** ##

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默认runtime 0.95s，period 1s,1s内RT最多跑了0.95s自动熔断；

$cd /proc/sys/kernel

sudo sh -c ‘echo 800000 > sched\_rt\_runtime\_us’

设置RR/FIFO策略熔断最高位800ms，RR/FIFO策略进程最多占用CPU 80%。(默认是95%)

## **补丁2：普通进程调度算法CFS（complete fare schedule）** ##

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虚拟运行时间，vtime = ptime \* 1024/weight

ptime：物理时间

weight:权重参数

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Ioy1bvcO-1598434032358)(media/65574db8b2370ab2085579ce97d6f945.png)\]][img-Ioy1bvcO-1598434032358_media_65574db8b2370ab2085579ce97d6f945.png]

nice=0，虚拟时间等于物理时间；

nice值越小，对应weight分母越大，vtime增长越慢，实际对应ptime占用越多；

vtime机制很好的平衡了I/O型，CPU型任务；

I/O型喜欢睡眠，ptime比较小，所以vtime自然较小，会偏向于挂在树左边；

同理，优先级越高的CPU型，其weight值越大，vtime也会越小，亦偏向挂载树左边；

即CFS用很简单的方式实现了历史上复杂的睡眠补偿，消耗惩罚，动态调整等功能；

修改进程的nice值：

sudo renice -n -5 -g 24856 //24856进程的所有线程nice都设置为-5

**综上，linux调度算法过程：**

1.首先执行SCHECH\_RR/SCHECH\_FIFO进程，待他们执行到睡眠或者熔断，CPU切换到普通线程；

2.普通线程按CFS算法调度，在普通线程间轮转；

线程调度优先与线程是否在内核态无关，只由优先级和策略决定。用户态内核态只涉及权限问题；

关于CFS实现细节，参考多年前的一篇文章  
[http://blog.chinaunix.net/uid-24708340-id-3787960.html][http_blog.chinaunix.net_uid-24708340-id-3787960.html]

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[http_blog.chinaunix.net_uid-24708340-id-3787960.html]: http://blog.chinaunix.net/uid-24708340-id-3787960.html