linux如何进程调度

linux如何进程调度详细介绍

在 Linux 中，进程调度由内核调度器负责，其目标是在公平性、响应时间、吞吐量等之间实现平衡。以下是 Linux 进程调度的核心机制和相关知识：

一、调度器分类与演进

1. 完全公平调度器（CFS，Completely Fair Scheduler）
   • 适用场景：针对普通进程（非实时进程），是 Linux 2.6.23 后引入的主流调度器。
   • 核心思想：通过 ** 虚拟运行时间（vruntime）** 保证公平性，每个进程的实际运行时间会被转换为 vruntime，优先级越高的进程，vruntime 增长越慢，从而更频繁地获得 CPU 资源。
   • 数据结构：使用红黑树维护可运行进程队列，每次选择 vruntime 最小的进程运行，确保 “最小努力优先”。

2. 实时调度器
   • 针对实时进程（需严格时间约束），优先级高于普通进程，分为两种策略：
     • SCHED_FIFO：先来先服务，进程一旦运行直到主动放弃 CPU 或被更高优先级的实时进程抢占。
     • SCHED_RR：时间片轮转，进程运行完时间片后进入队列末尾，同优先级进程公平分配时间。

二、进程优先级体系

1. 普通进程（分时进程）
   • nice 值：范围-20（最高优先级）到19（最低优先级），默认值为 0。可通过nice（启动时）或renice（运行中）调整。
   • 优先级计算：基于 nice 值生成动态优先级，影响 vruntime 的增长速率（优先级越高，时间片越长，vruntime 增长越慢）。

2. 实时进程
   • 实时优先级：范围0（最低）到99（最高），数值越高优先级越高，通过系统调用或工具显式设置。
   • 实时进程始终优先于普通进程运行，且不会被普通进程抢占。

三、调度策略设置

1. 命令行工具
   • chrt：用于设置进程的调度策略和优先级。bash

     chrt   pid          
     
     chrt pid 
     

   • nice/renice：调整普通进程的 nice 值：bash

        ./program      
     
      pid 
     

2. 系统调用
   • sched_setscheduler()：设置进程的调度策略和参数。
   • sched_setparam()：修改实时进程的优先级。

四、调度机制与抢占

1. 周期性调度
   • 内核通过定时器（如hrtimer）周期性触发调度器，检查是否有更高优先级的进程需要运行。
   • 普通进程的时间片随优先级动态调整，优先级越高时间片越长（减少调度开销）。

2. 抢占机制
   • 主动抢占：进程在系统调用、阻塞或主动放弃 CPU 时触发调度。
   • 被动抢占：当高优先级进程进入可运行状态时，低优先级进程会被抢占（需内核支持抢占，通过CONFIG_PREEMPT_VOLUNTARY或CONFIG_PREEMPT_RT配置）。

五、监控与调试工具

1. top/htop：查看进程的 nice 值、实时优先级（RT Pri）和状态。
2. ps：显示进程的调度策略（如ps -eo pid,policy,ni,cmd）。
3. schedtool：更细粒度地调整进程的调度参数（如 CPU 亲和力、实时优先级）。
4. 内核调试工具：如ftrace可追踪调度事件，procfs（/proc/<pid>/sched）查看进程的调度统计信息。

六、调度目标与权衡

• 公平性：CFS 通过 vruntime 确保每个进程获得近似公平的 CPU 时间。
• 响应时间：优先调度交互进程（通过优先级调整，如桌面环境的进程通常有更高优先级）。
• 吞吐量：对计算密集型任务，减少调度开销以提升整体效率。
• 实时性：实时调度器保证高优先级任务的确定性执行，避免延迟。

总结

Linux 进程调度通过CFS（普通进程）和实时调度策略（实时进程）实现分层调度，结合优先级和时间片管理，在公平性、响应速度和系统效率之间取得平衡。用户可通过工具或系统调用调整进程的调度参数，以满足不同场景需求（如高性能计算、实时控制、交互式应用）。