linux內核調度算法（1）--快速找到最高優先級進程

爲何要了解內核的調度策略呢？呵呵，由於它值得咱們學習，不算是廢話吧。內核調度程序很先進很強大，管理你的LINUX上跑的大量的亂七八糟的進程，同時還保持着對用戶操做的高靈敏響應，若是可能，爲何不把這種思想放到本身的應用程序裏呢？或者，有沒有可能更好的實現本身的應用，使得操做系統可以以本身的意志來分配資源給本身的進程？

帶着這兩個問題來看看KERNEL。首先回顧上咱們開發應用程序，基本上就兩種類型，一、IO消耗型：好比hadoop上的trunk服務，很明顯它的消耗主要在IO上，包括網絡IO磁盤IO等等。二、CPU消耗型，好比mapreduce或者其餘的須要對大量數據進行計算處理的組件，就象對高清視頻壓縮成適合手機觀看分辨率的進程，他們的消耗主要在CPU上。當兩類進程都在一臺SERVER上運行時，操做系統會如何調度它們呢？如今的服務器都是SMP多核的，那麼一個進程在多CPU時會來回切換嗎？若是我有一個程序，既有IO消耗又有CPU消耗，怎麼讓多核更好的調度個人程序呢？


又多了幾個問題。來看看內核調度程序吧，咱們先從它的優先隊列談起吧。調度程序代碼就在內核源碼的kernel/sched.c的schedule函數中。
首先看下面的優先級隊列，每個runqueue都有。runqueue是什麼？下面會詳細說下，如今你們能夠理解爲，內核爲每一顆CPU分配了一個runqueue，用於維護這顆CPU能夠運行的進程。runqueue裏，有幾個成員是prio_array類型，這個東東就是優先隊列，先看看它的定義：

看看BITMAP_SIZE是怎麼算出來的：#define BITMAP_SIZE ((((MAX_PRIO+1+7)/8)+sizeof(long)-1)/sizeof(long))
那麼，LINUX默認配置（若是你用默認選項編譯內核的話）MAX_PRIO是140，就是說一共內核對進程一共定義了140種優先級。等待某個CPU來處理的進程中，可能包含許多種優先級的進程，但，LINUX是個搶佔式調度算法的操做系統，就是說，須要調度時必定是找到最高優先級的進程執行。上面的BITMAP_SIZE值根據MAX_PRIO算出來爲5，那麼bitmap實際是32*5=160位，這樣就包含了MAX_PRIO的140位。優先級隊列是怎麼使用的？看2649行代碼：idx=sched_find_first_bit(array->bitmap);這個方法就用來快速的找到優先級最高的隊列。看看它的實現能夠方便咱們理解這個優先級位的設計：

那麼__ffs是幹什麼的？

sched_find_first_bit返回值就是最高優先級所在隊列的序號，與queue是對應使用的哈，queue=array->queue + idx;這樣就取到了要處理的進程隊列。這個設計在查找優先級時是很是快的，很是值得咱們學習。


好，優先級隊列搞明白了，如今來看看runqueue，每一個runqueue包含三個優先級隊列。

LINUX是一個時間多路複用的系統，就是說，經過把CPU執行時間分紅許多片，再分配給進程們使用，形成即便單CPU系統，也貌似容許多個任務在同時執行。那麼，時間片大小假設爲100ms，太短過長，過長了有些不靈敏，太短了，連切換進程時可能都要消耗幾毫秒的時間。分給100個進程執行，在全部進程都用完本身的時間片後，須要從新給全部的進程從新分配時間片，怎麼分配呢？for循環遍歷全部的run狀態進程，重設時間片？這個性能沒法容忍！太慢了，跟當前系統進程數相關。那麼2.6內核怎麼作的呢？它用了上面提到的兩個優先級隊列active和expired，顧名思義，active是還有時間片的進程隊列，而expired是時間片耗盡必須從新分配時間片的進程隊列。


這麼設計的好處就是不用再循環一遍全部進程重設時間片了，看看調度函數是怎麼玩的：

當全部運行進程的時間片都用完時，就把active和expired隊列互換指針，沒有遍歷哦，而時間片耗盡的進程在出acitve隊列入expired隊列時，已經單獨的從新分配好新時間片了。


再看一下schedule(void)調度函數，當某個進程休眠或者被搶佔時，系統就開始調試schedule(void)決定接下來運行哪一個進程。上面說過的東東都在這個函數裏有體現哈。

固然，在咱們程序中，也能夠經過執行如下系統調用來改變本身進程的優先級。nice系統調用能夠改變某個進程的基本優先級，setpriority能夠改變一組進程的優先級。