调度器简介,以及Linux的调度策略

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应用应用线程是操作系统虚拟出来的概念,用来组织计算机中的任务。但随着应用应用线程被赋予过多的任务,应用应用线程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,应用应用线程的生命都得到了操作系统内核的关照。就好像疲于照顾几只孩子的母亲内核需要做出决定,何如在应用应用线程间分配有限的计算资源,最终让用户获得最佳的使用体验。内核中安排应用应用线程执行的模块称为调度器(scheduler)。这里将介绍调度器的工作最好的方法。

应用应用线程清况

调度器还还上能切换应用应用线程清况 (process state)。一个多Linux应用应用线程从被创建到死亡,但会 会经过统统种清况 ,比如执行、暂停、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出等。当当你们都 还还上能把Linux下繁多的应用应用线程清况 ,归纳为一种生活基本清况 。

  • 就绪(Ready): 应用应用线程但会 获得了CPU以外的所有必要资源,如应用应用线程空间、网络连接等。就绪清况 下的应用应用线程等到CPU,便可立即执行。
  • 执行(Running):应用应用线程获得CPU,执行应用线程。
  • 阻塞(Blocked):当应用应用线程但会 听候某个事件而无法执行时,便放弃CPU,指在阻塞清况 。

 

图1 应用应用线程的基本清况

应用应用线程创建后,就自动变成了就绪清况 。但会 内核把CPU时间分配给该应用应用线程,那末应用应用线程就从就绪清况 变成了执行清况 。在执行清况 下,应用应用线程执行指令,最为活跃。正在执行的应用应用线程还还上能主动进入阻塞清况 ,比如这种 应用应用线程需要将一部分硬盘中的数据读取到内存中。在这段读取时间里,应用应用线程需要使用CPU,还还上能主动进入阻塞清况 ,让出CPU。当读取开始英文时,计算机硬件发出信号,应用应用线程再从阻塞清况 恢复为就绪清况 。应用应用线程也还还上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调度器需要负责做两件事:一件事是选折 某些就绪的应用应用线程来执行;另一件事是打断某些执行中的应用应用线程,让它们变回就绪清况 。不过,并都会所有的调度器都会第3个功能。有的调度器的清况 切换是单向的,不还还上能让就绪应用应用线程变成执行清况 ,不还还上能把正在执行中的应用应用线程变回就绪清况 。支持双向清况 切换的调度器被称为抢占式(pre-emptive)调度器。

调度器在让一个多应用应用线程变回就绪时,就会立即让曾经就绪的应用应用线程开始英文执行。多个应用应用线程接替使用CPU,从而最大波特率地利用CPU时间。当然,但会 执行中应用应用线程主动进入阻塞清况 ,那末调度器也会选折 曾经就绪应用应用线程来消费CPU时间。所谓的上下文切换(context switch)统统指应用应用线程在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应用线程被切换掉但是的CPU清况 ,从而让应用应用线程感觉不还还上能另一方的执行被中断。应用应用线程的开发者在编写计算机应用线程时,就不必专门写代码出理 上下文切换了。 

应用应用线程的优先级

调度器分配CPU时间的基本最好的方法,统统应用应用线程的优先级。根据应用线程任务性质的不同,应用线程还还上能有不同的执行优先级。根据优先级特点,当当你们都 还还上能把应用应用线程分为一种生活类别。

  • 实时应用应用线程(Real-Time Process):优先级高、需要尽快被执行的应用应用线程。它们一定不还还上能被普通应用应用线程所阻挡,累似 于视频播放、各种监测系统。
  • 普通应用应用线程(Normal Process):优先级低、更长执行时间的应用应用线程。累似 于文本编译器、批出理 一段文档、图形渲染。

普通应用应用线程根据行为的不同,还还还上能被分成互动应用应用线程(interactive process)和批出理 应用应用线程(batch process)。互动应用应用线程的例子有图形界面,它们但会 指在长时间的听候清况 ,累似 于听候用户的输入。一旦特定事件指在,互动应用应用线程需要尽快被激活。一般来说,图形界面的反应时间是80到80毫秒。批出理 应用应用线程那末与用户交互的,往往在后台被默默地执行。

实时应用应用线程由Linux操作系统创造,普通用户不还还上能创建普通应用应用线程。一种生活应用应用线程的优先级不同,实时应用应用线程的优先级永远高于普通应用应用线程。应用应用线程的优先级是一个多0到139的整数。数字越小,优先级越高。其中,优先级0到99留给实时应用应用线程,80到139留给普通应用应用线程。

一个多普通应用应用线程的默认优先级是120。当当你们都 还还上能用命令nice来修改一个多应用应用线程的默认优先级。累似 于一个多可执行应用线程叫app,执行命令:

命令中的-20指的是从默认优先级上减去20。通过这种 命令执行app应用线程,内核会将app应用应用线程的默认优先级设置成80,也统统普通应用应用线程的最高优先级。命令中的-20还还上能被加进去-20至19中任何一个多整数,包括-20 和 19。默认优先级但会 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应用线程的动态优先级:

动态优先级 = 静态优先级 – Bonus + 5

但会 这种 公式的计算结果小于80或大于139,但会 取80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是一个多估计值,这种 数字越大,代表着它但会 越需要被优先执行。但会 内核发现这种 应用应用线程需要突然跟用户交互,但会 把Bonus值设置成大于5的数字。但会 应用应用线程不突然跟用户交互,内核但会 把应用应用线程的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应用线程,等到一个多应用应用应用线程完了再运行优先级较低的一个多,但这种 策略完正无法发挥多任务系统的优势。但会 ,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)这种 名字,来源于算法错综复杂度的大O表示法。大O符号代表这种 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应用线程数量。O(n)表示这种 调度器的时间错综复杂度和活跃应用应用线程的数量成正比。

O(n)调度器把时间分成几瓶的微小时间片(Epoch)。在每个时间片开始英文的但是,调度器会检查所有指在就绪清况 的应用应用线程。调度器计算每个应用应用线程的优先级,但会 选折 优先级最高的应用应用线程来执行。一旦被调度器切换到执行,应用应用线程还还上能不被打扰地用尽这种 时间片。但会 应用应用线程那末用尽时间片,那末该时间片的剩余时间会增加到下一个多时间片中。

O(n)调度器在每次使用时间片前都会检查所有就绪应用应用线程的优先级。这种 检查时间和应用应用线程中应用应用线程数目n成正比,这也正是该调度器错综复杂度为O(n)的原因。当计算机蕴含几瓶应用应用线程在运行时,这种 调度器的性能但会 被大大降低。也统统说,O(n)调度器那末很好的可拓展性。O(n)调度器是Linux 2.6但是使用的应用应用线程调度器。当Java语言逐渐流行后,但会 Java虚拟但会 创建几瓶应用应用线程,调度器的性能问题 变得更加明显。

为了出理 O(n)调度器的性能问题 ,O(1)调度器被发名家 了出来,并从Linux 2.6内核开始英文使用。顾名思义,O(1)调度器是指调度器每次选折 要执行的应用应用线程的时间都会一个多单位的常数,和系统中的应用应用线程数量无关。曾经,就算系统蕴含几瓶的应用应用线程,调度器的性能统统会下降。O(1)调度器的创新之指在于,它会把应用应用线程按照优先级排好,倒进特定的数据特性中。在选折 下一个多要执行的应用应用线程时,调度器不必遍历应用应用线程,就还还上能直接选折 优先级最高的应用应用线程。

和O(n)调度器累似 于,O(1)也是把时间片分配给应用应用线程。优先级为120以下的应用应用线程时间片为:

(140–priority)×20毫秒

优先级120及以上的应用应用线程时间片为:

(140–priority)×5 毫秒

O(1)调度器会用一个多队列来存倒应用应用线程。一个多队列称为活跃队列,用于存储那此待分配时间片的应用应用线程。曾经队列称为过期队列,用于存储那此但会 享用过时间片的应用应用线程。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出一个多应用应用线程。这种 应用应用线程用尽时间片,就会转移到过期队列。当活跃队列的所有应用应用线程都被执行但是,调度器就会把活跃队列和过期队列对调,用同样的最好的方法继续执行那此应用应用线程。

底下的描述那末考虑优先级。加入优先级后,清况 会变得错综复杂某些。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的应用应用线程。一开始英文,所有应用应用线程都会倒进活跃队列中。但会 操作系统会从优先级最高的活跃队列开始英文依次选折 应用应用线程来执行,但会 一个多应用应用线程的优先级相同,当当你们都 有相同的概率被选中。执行一次后,这种 应用应用线程会被从活跃队列中剔除。但会 这种 应用应用线程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应用线程都被执行但是,过期队列中但会 有统统应用应用线程。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(需要替换)

当当你们都 下面看一个多例子,有3个应用应用线程,如表1所示。

表1 应用应用线程



Linux操作系统中的应用应用线程队列(run queue),如表2所示。

表2 应用应用线程队列

那末在一个多执行周期,被选中的应用应用线程依次是先A,但会 B和C,但是 是D,最后是E。

注意,普通应用应用线程的执行策略并那末保证优先级为80的应用应用线程会先被执行完进入开始英文清况 ,再执行优先级为101的应用应用线程,统统在每个对调活跃和过期队列的周期中都会但会 被执行,这种 设计是为了出理 应用应用线程饥饿(starvation)。所谓的应用应用线程饥饿,统统优先级低的应用应用线程但是 都那末但会 被执行。

当当你们都 看到,O(1)调度器在选折 下一个多要执行的应用应用线程时很简单,需要遍历所有应用应用线程。但会 它依然有某些缺点。应用应用线程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80、110、120、180和139这几只应用应用线程的时间片长度,如表3所示。

表3 应用应用线程的时间片长度

从表格中我能 发现,优先级为110和120的应用应用线程的时间片长度差距比120和180之间的大了10倍。也统统说,应用应用线程时间片长度的计算指在很大的随机性。O(1)调度器会根据平均休眠时间来调整应用应用线程优先级。该调度器假设那此休眠时间长的应用应用线程是在听候用户互动。那此互动类的应用应用线程应该获得更高的优先级,以便给用户更好的体验。一旦这种 假设不成立,O(1)调度器对CPU的调配就会再次跳出问题 。

完正公平调度器

从807年发布的Linux 2.6.23版本起,完正公平调度器(CFS,Completely Fair Scheduler)取代了O(1)调度器。CFS调度器不对应用应用线程进行任何形式的估计和猜测。这种 点和O(1)区分互动和非互动应用应用线程的做法完正不同。

CFS调度器增加了一个多虚拟运行时(virtual runtime)的概念。每次一个多应用应用线程在CPU中被执行了一段时间,就会增加它虚拟运行时的记录。在每次选折 要执行的应用应用线程时,都会选折 优先级最高的应用应用线程,统统选折 虚拟运行时为宜的应用应用线程。完正公平调度器用一种生活叫红黑树的数据特性取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树还还上能高效地找到虚拟运行最小的应用应用线程。

当当你们都 先通过例子来看CFS调度器。我希望一台运行的计算机中曾经拥有A、B、C、D3个应用应用线程。内核记录着每个应用应用线程的虚拟运行时,如表4所示。

表4 每个应用应用线程的虚拟运行时

系统增加一个多新的应用应用线程E。新创建应用应用线程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应用线程最小的虚拟运行时。这能保证该应用应用线程被较快地执行。在曾经的应用应用线程中,最小虚拟运行时是应用应用线程A的1 000纳秒,但会 E的初始虚拟运行都会被设置为1 000纳秒。新的应用应用线程列表如表5所示。

表5 新的应用应用线程列表

我希望调度器需要选折 下一个多执行的应用应用线程,应用应用线程A会被选中执行。应用应用线程A会执行一个多调度器决定的时间片。我希望应用应用线程A运行了280纳秒,那它的虚拟运行时增加。而某些的应用应用线程那末运行,统统虚拟运行时不变。在A消耗完时间片后,更新后的应用应用线程列表,如表6所示。

表6 更新后的应用应用线程列表

还还上能看到,应用应用线程A的排序下降到了第三位,下一个多将要被执行的应用应用线程是应用应用线程E。从本质上看,虚拟运行时代表了该应用应用线程但会 消耗了几只CPU时间。但会 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应用线程公平地使用CPU。听起来,这让应用应用线程的优先级变得毫无意义。CFS调度器也考虑到了这种 点。CFS调度器会根据应用应用线程的优先级来计算一个多时间片因子。同样是增加280纳秒的虚拟运行时,优先级低的应用应用线程实际获得的但会 不还还上能80纳秒,而优先级高的应用应用线程实际获得但会 有80纳秒。曾经,优先级高的应用应用线程就获得了更多的计算资源。

以上统统调度器的基本原理,以及Linux用过的几种调度策略。调度器还还上能更加合理地把CPU时间分配给应用应用线程。现代计算机都会多任务系统,调度器在多任务系统中起着顶梁柱的作用。

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