揭秘Linux进程调度逻辑与源码，剖析操作系统运行奥秘
2023-02-04 01:55:05
探索 Linux 进程调度：从基本原理到优化技巧
Linux：为高效计算而生的操作系统
Linux 作为一种开源、免费的操作系统，以其稳定性、安全性以及出色的并发处理能力而备受推崇。在 Linux 的强大功能中，进程调度扮演着至关重要的角色，决定着系统如何分配和管理 CPU 资源给各个进程，从而影响着整个系统的性能和效率。
Linux 进程调度的基本原理
进程调度是操作系统的一项核心功能，其基本原理是通过合理分配 CPU 资源，让多个进程在同一时间段内交替运行，实现并发执行。为了实现这一目标，Linux 采用了一种名为时间片轮转（Time-Sharing）的调度算法。该算法将 CPU 资源划分为一个个固定长度的时间片，每个进程轮流获得一个时间片，在该时间片内独占 CPU 资源运行。当时间片用完后，操作系统会将 CPU 资源分配给下一个进程，以此循环往复。
Linux 进程调度的算法策略
为了适应不同类型的进程和系统负载情况，Linux 内核提供了多种进程调度算法，包括：
- 先来先服务（FCFS）： 按进程到达顺序执行，先到的进程优先获得 CPU 资源。易于实现，但可能会导致某些进程长时间等待，降低系统的整体吞吐量。
- 短作业优先（SJF）： 优先调度预计运行时间最短的进程。可以提高系统的平均周转时间，但需要准确预测每个进程的运行时间，这在实际应用中往往难以实现。
- 优先级调度： 根据进程的优先级来决定调度的顺序，优先级高的进程优先获得 CPU 资源。可以保证重要进程优先执行，但可能会导致低优先级进程长时间等待，甚至导致死锁。
- 时间片轮转（RR）： Linux 内核默认的调度算法，将 CPU 资源划分为固定长度的时间片，每个进程轮流获得一个时间片，在该时间片内独占 CPU 资源运行。可以保证每个进程都能公平地获得 CPU 资源，但可能会导致某些进程在关键时刻被中断，影响性能。
深入 Linux 进程调度的源码
Linux 内核中负责进程调度的代码位于 kernel/sched/ 目录下，其中包含了各种调度算法的实现以及相关的辅助函数。
进程调度器的结构
Linux 内核中的进程调度器是一个复杂而精巧的系统，它由以下几个主要组件组成：
- 任务队列（runqueue）： 进程等待被调度执行的队列，每个 CPU 都有自己的任务队列。
- 调度类（sched_class）： 调度算法的抽象，定义了如何将进程添加到任务队列、如何选择下一个要执行的进程以及如何更新进程的状态等。
- 调度实体（sched_entity）： 进程在调度器中的表示，包含了进程的各种信息，如优先级、运行时间等。
进程调度的流程
当一个进程需要被调度时，Linux 内核会按照以下步骤执行：
- 从任务队列中选择下一个要执行的进程。
- 将选定的进程添加到 CPU 的运行队列中。
- 更新进程的状态，将其标记为正在运行。
- 将 CPU 资源分配给进程，使其开始执行。
当进程执行完毕或时间片用完时，内核会将进程从运行队列中删除，并将其添加到适当的任务队列中，等待下一次被调度执行。
优化 Linux 进程调度
为了优化 Linux 进程调度，可以从以下几个方面入手：
- 选择合适的调度算法： 根据系统的负载情况和进程的类型，选择最合适的调度算法。
- 调整时间片长度： 时间片长度会影响进程的响应时间和吞吐量，需要根据实际情况进行调整。
- 优化进程优先级： 合理设置进程的优先级，可以保证重要进程优先执行。
- 避免进程饥饿： 采取措施防止某些进程长时间等待，导致进程饥饿。
总结
Linux 进程调度是一个复杂且重要的系统，它对系统的性能和稳定性有很大的影响。通过深入理解 Linux 进程调度的基本原理、算法策略和源码实现，可以优化系统的调度策略，提升系统的整体性能和效率。
常见问题解答
1. 如何查看当前系统的进程调度算法？
cat /proc/sys/kernel/sched_migration_cost
2. 如何更改进程的优先级？
sudo renice -n 优先级 PID
3. 如何查看进程的调度统计信息？
pidstat -u -p PID
4. 如何避免进程饥饿？
可以使用完全公平调度器（CFS） ，它通过维护一个虚拟运行时间来防止进程长时间等待。
5. Linux 中进程调度的未来发展趋势是什么？
随着多核和异构处理器变得越来越普遍，Linux 内核正在开发新的调度算法，如多级反馈队列调度器（MQ-EDF） 和时间敏感型工作负载调度器（TSWS） ，以适应不断变化的计算需求。
