调度器简介,以及Linux的调度策略

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应用程序是操作系统虚拟出来的概念,用来组织计算机中的任务。但随着应用程序被赋予太久的任务,应用程序好像有了真实的生命,它从诞生就随着CPU时间执行,直到最终消失。不过,应用程序的生命都得到了操作系统内核的关照。就好像疲于照顾十多少 孩子的母亲内核时要做出决定,如何在应用程序间分配有限的计算资源,最终让用户获得最佳的使用体验。内核中安排应用程序执行的模块称为调度器(scheduler)。这里将介绍调度器的工作法律办法。

应用程序清况

调度器能才能切换应用程序清况 (process state)。有有另十多少 Linux应用程序从被创建到死亡,是是因为会经过就是我种清况 ,比如执行、暂停、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出等。当我们都都儿能才能把Linux下繁多的应用程序清况 ,归纳为你这个基本清况 。

  • 就绪(Ready): 应用程序是是因为获得了CPU以外的所有必要资源,如应用程序空间、网络连接等。就绪清况 下的应用程序等到CPU,便可立即执行。
  • 执行(Running):应用程序获得CPU,执行应用程序。
  • 阻塞(Blocked):当应用程序是是因为等候某个事件而无法执行时,便放弃CPU,占据 阻塞清况 。

 

图1 应用程序的基本清况

应用程序创建后,就自动变成了就绪清况 。是是因为内核把CPU时间分配给该应用程序,那末 应用程序就从就绪清况 变成了执行清况 。在执行清况 下,应用程序执行指令,最为活跃。正在执行的应用程序能才能主动进入阻塞清况 ,比如你这个应用程序时要将一累积硬盘中的数据读取到内存中。在这段读取时间里,应用程序不时要使用CPU,能才能主动进入阻塞清况 ,让出CPU。当读取现在开始时,计算机硬件发出信号,应用程序再从阻塞清况 恢复为就绪清况 。应用程序才能才能被迫进入阻塞清况 ,比如接收到SIGSTOP信号。

调度器是CPU时间的管理员。Linux调度器时要负责做两件事:一件事是选择你这个就绪的应用程序来执行;另一件事是打断你这个执行中的应用程序,让它们变回就绪清况 。不过,并也有所有的调度器也有第十多少 功能。有的调度器的清况 切换是单向的,能才能了让就绪应用程序变成执行清况 ,能才能了把正在执行中的应用程序变回就绪清况 。支持双向清况 切换的调度器被称为抢占式(pre-emptive)调度器。

调度器在让有有另十多少 应用程序变回就绪时,就会立即让从前就绪的应用程序现在开始执行。多个应用程序接替使用CPU,从而最大下行强度 地利用CPU时间。当然,是是因为执行中应用程序主动进入阻塞清况 ,那末 调度器也会选择从前就绪应用程序来消费CPU时间。所谓的上下文切换(context switch)就是我指应用程序在CPU中切换执行的过程。内核承担了上下文切换的任务,负责储存和重建应用程序被切换掉前一天的CPU清况 ,从而让应用程序感觉能才能了本人的执行被中断。应用应用程序的开发者在编写计算机应用程序时,就不必专门写代码避免上下文切换了。 

应用程序的优先级

调度器分配CPU时间的基本办法,就是我应用程序的优先级。根据应用程序任务性质的不同,应用程序能是否不同的执行优先级。根据优先级特点,当我们都都儿能才能把应用程序分为你这个类别。

  • 实时应用程序(Real-Time Process):优先级高、时要尽快被执行的应用程序。它们一定能才能了被普通应用程序所阻挡,同类于视频播放、各种监测系统。
  • 普通应用程序(Normal Process):优先级低、更长执行时间的应用程序。同类于文本编译器、批避免一段文档、图形渲染。

普通应用程序根据行为的不同,还能才能被分成互动应用程序(interactive process)和批避免应用程序(batch process)。互动应用程序的例子有图形界面,它们是是因为占据 长时间的等候清况 ,同类于等候用户的输入。一旦特定事件占据 ,互动应用程序时要尽快被激活。一般来说,图形界面的反应时间是100到100毫秒。批避免应用程序那末 与用户交互的,往往在后台被默默地执行。

实时应用程序由Linux操作系统创造,普通用户能才能了创建普通应用程序。你这个应用程序的优先级不同,实时应用程序的优先级永远高于普通应用程序。应用程序的优先级是有有另十多少 0到139的整数。数字越小,优先级越高。其中,优先级0到99留给实时应用程序,100到139留给普通应用程序。

有有另十多少 普通应用程序的默认优先级是120。当我们都都儿能才能用命令nice来修改有有另十多少 应用程序的默认优先级。同类于有有有另十多少 可执行应用程序叫app,执行命令:

命令中的-20指的是从默认优先级上减去20。通过你这个命令执行app应用程序,内核会将app应用程序的默认优先级设置成100,也就是我普通应用程序的最高优先级。命令中的-20能才能被加带-20至19中任何有有另十多少 整数,包括-20 和 19。默认优先级是是因为变成执行时的静态优先级(static priority)。调度器最终使用的优先级根据的是应用程序的动态优先级:

动态优先级 = 静态优先级 – Bonus + 5

是是因为你这个公式的计算结果小于100或大于139,是是因为取100到139范围内最接近计算结果的数字作为实际的动态优先级。公式中的Bonus是有有另十多少 估计值,你这个数字越大,代表着它是是因为越时要被优先执行。是是因为内核发现你这个应用程序时要总是跟用户交互,是是因为把Bonus值设置成大于5的数字。是是因为应用程序不总是跟用户交互,内核是是因为把应用程序的Bonus设置成小于5的数。

O(n)和O(1)调度器

下面介绍Linux的调度策略。最原始的调度策略是按照优先级排列好应用程序,等到有有另十多少 应用应用程序完了再运行优先级较低的有有另十多少 ,但你这个策略全部无法发挥多任务系统的优势。之后,随着时间推移,操作系统的调度器也多次进化。

先来看Linux 2.4内核推出的O(n)调度器。O(n)你这个名字,来源于算法错综复杂度的大O表示法。大O符号代表你这个算法在最坏清况 下的错综复杂度。字母n在这里代表操作系统中的活跃应用程序数量。O(n)表示你这个调度器的时间错综复杂度和活跃应用程序的数量成正比。

O(n)调度器把时间分成几滴 的微小时间片(Epoch)。在每个时间片现在开始的前一天,调度器会检查所有占据 就绪清况 的应用程序。调度器计算每个应用程序的优先级,之后选择优先级最高的应用程序来执行。一旦被调度器切换到执行,应用程序能才能不被打扰地用尽你这个时间片。是是因为应用程序那末 用尽时间片,那末 该时间片的剩余时间会增加到下有有另十多少 时间片中。

O(n)调度器在每次使用时间片前也有检查所有就绪应用程序的优先级。你这个检查时间和应用程序中应用程序数目n成正比,这也正是该调度器错综复杂度为O(n)的是是因为。当计算机含有几滴 应用程序在运行时,你这个调度器的性能是是因为被大大降低。也就是我说,O(n)调度器那末 很好的可拓展性。O(n)调度器是Linux 2.6前一天使用的应用程序调度器。当Java语言逐渐流行后,是是因为Java虚拟是是因为创建几滴 应用程序,调度器的性能问题报告 变得更加明显。

为了避免O(n)调度器的性能问题报告 ,O(1)调度器被伟大的伟大的发明了出来,并从Linux 2.6内核现在开始使用。顾名思义,O(1)调度器是指调度器每次选择要执行的应用程序的时间也有有有另十多少 单位的常数,和系统中的应用程序数量无关。从前,就算系统含有几滴 的应用程序,调度器的性能就是我会下降。O(1)调度器的创新之占据 于,它会把应用程序按照优先级排好,装到 特定的数据形态学 中。在选择下有有另十多少 要执行的应用程序时,调度器不必遍历应用程序,就能才能直接选择优先级最高的应用程序。

和O(n)调度器同类于,O(1)也是把时间片分配给应用程序。优先级为120以下的应用程序时间片为:

(140–priority)×20毫秒

优先级120及以上的应用程序时间片为:

(140–priority)×5 毫秒

O(1)调度器会用有有另十多少 队列来存装到 程。有有另十多少 队列称为活跃队列,用于存储哪此待分配时间片的应用程序。从前队列称为过期队列,用于存储哪此是是因为享用过时间片的应用程序。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出有有另十多少 应用程序。你这个应用程序用尽时间片,就会转移到过期队列。当活跃队列的所有应用程序都被执行前一天,调度器就会把活跃队列和过期队列对调,用同样的法律办法继续执行哪此应用程序。

中间的描述那末 考虑优先级。加入优先级后,清况 会变得错综复杂你这个。操作系统会创建140个活跃队列和过期队列,对应优先级0到139的应用程序。一现在开始,所有应用程序也有装到 活跃队列中。之后操作系统会从优先级最高的活跃队列现在开始依次选择应用程序来执行,是是因为有有另十多少 应用程序的优先级相同,当我们都都有相同的概率被选中。执行一次后,你这个应用程序会被从活跃队列中剔除。是是因为你这个应用程序在这次时间片中那末 彻底完成,它会被加入优先级相同的过期队列中。当140个活跃队列的所有应用程序都被执行前一天,过期队列中是是因为有就是我应用程序。调度器将对调优先级相同的活跃队列和过期队列继续执行下去。过期队列和活跃队列,如图2所示。

图2 过期队列和活跃队列(时要替换)

当我们都都儿下面看有有另十多少 例子,有十多少 应用程序,如表1所示。

表1 应用程序



Linux操作系统中的应用程序队列(run queue),如表2所示。

表2 应用程序队列

那末 在有有另十多少 执行周期,被选中的应用程序依次是先A,之后B和C,之后是D,最后是E。

注意,普通应用程序的执行策略并那末 保证优先级为100的应用程序会先被执行完进入现在开始清况 ,再执行优先级为101的应用程序,就是我在每个对调活跃和过期队列的周期中也有是是因为被执行,你这个设计是为了避免应用程序饥饿(starvation)。所谓的应用程序饥饿,就是我优先级低的应用程序之后都那末 是是因为被执行。

当我们都都儿就看,O(1)调度器在选择下有有另十多少 要执行的应用程序时很简单,不时要遍历所有应用程序。之后它依然有你这个缺点。应用程序的运行顺序和时间片长度极度依赖于优先级。比如,计算优先级为100、110、120、1100和139这十多少 应用程序的时间片长度,如表3所示。

表3 应用程序的时间片长度

从表格中我就发现,优先级为110和120的应用程序的时间片长度差距比120和1100之间的大了10倍。也就是我说,应用程序时间片长度的计算占据 很大的随机性。O(1)调度器会根据平均休眠时间来调整应用程序优先级。该调度器假设哪此休眠时间长的应用程序是在等候用户互动。哪此互动类的应用程序应该获得更高的优先级,以便给用户更好的体验。一旦你这个假设不成立,O(1)调度器对CPU的调配就会总是总是出现问题报告 。

全部公平调度器

从1007年发布的Linux 2.6.23版本起,全部公平调度器(CFS,Completely Fair Scheduler)取代了O(1)调度器。CFS调度器不对应用程序进行任何形式的估计和猜测。你这个点和O(1)区分互动和非互动应用程序的做法全部不同。

CFS调度器增加了有有另十多少 虚拟运行时(virtual runtime)的概念。每次有有另十多少 应用程序在CPU中被执行了一段时间,就会增加它虚拟运行时的记录。在每次选择要执行的应用程序时,也有选择优先级最高的应用程序,就是我选择虚拟运行时最少的应用程序。全部公平调度器用你这个叫红黑树的数据形态学 取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树能才能高效地找到虚拟运行最小的应用程序。

当我们都都儿先通过例子来看CFS调度器。假如有一天一台运行的计算机中从前拥有A、B、C、D十多少 应用程序。内核记录着每个应用程序的虚拟运行时,如表4所示。

表4 每个应用程序的虚拟运行时

系统增加有有另十多少 新的应用程序E。新创建应用程序的虚拟运行时不必被设置成0,而会被设置成当前所有应用程序最小的虚拟运行时。这能保证该应用程序被较快地执行。在从前的应用程序中,最小虚拟运行时是应用程序A的1 000纳秒,之后E的初始虚拟运行也有被设置为1 000纳秒。新的应用程序列表如表5所示。

表5 新的应用程序列表

假如有一天调度器时要选择下有有另十多少 执行的应用程序,应用程序A会被选中执行。应用程序A会执行有有另十多少 调度器决定的时间片。假如有一天应用程序A运行了2100纳秒,那它的虚拟运行时增加。而你这个的应用程序那末 运行,就是我虚拟运行时不变。在A消耗完时间片后,更新后的应用程序列表,如表6所示。

表6 更新后的应用程序列表

能才能就看,应用程序A的排序下降到了第三位,下有有另十多少 将要被执行的应用程序是应用程序E。从本质上看,虚拟运行时代表了该应用程序是是因为消耗了十多少 CPU时间。是是因为它消耗得少,那末 理应优先获得计算资源。

按照上述的基本设计理念,CFS调度器能让所有应用程序公平地使用CPU。听起来,这让应用程序的优先级变得毫无意义。CFS调度器也考虑到了你这个点。CFS调度器会根据应用程序的优先级来计算有有另十多少 时间片因子。同样是增加2100纳秒的虚拟运行时,优先级低的应用程序实际获得的是是因为能才能了100纳秒,而优先级高的应用程序实际获得是是因为有100纳秒。从前,优先级高的应用程序就获得了更多的计算资源。

以上就是我调度器的基本原理,以及Linux用过的几种调度策略。调度器能才能更加合理地把CPU时间分配给应用程序。现代计算机也有多任务系统,调度器在多任务系统中起着顶梁柱的作用。

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