专栏首页linux驱动个人学习Linux进程优先级的处理--Linux进程的管理与调度(二十二)

Linux进程优先级的处理--Linux进程的管理与调度(二十二)

1. linux优先级的表示

1.1 优先级的内核表示

linux优先级概述

在用户空间通过nice命令设置进程的静态优先级, 这在内部会调用nice系统调用, 进程的nice值在-20~+19之间. 值越低优先级越高. setpriority系统调用也可以用来设置进程的优先级. 它不仅能够修改单个线程的优先级, 还能修改进程组中所有进程的优先级, 或者通过制定UID来修改特定用户的所有进程的优先级

内核使用一些简单的数值范围0~139表示内部优先级, 数值越低, 优先级越高。

从0~99的范围专供实时进程使用, nice的值[-20,19]则映射到范围100~139

linux2.6内核将任务优先级进行了一个划分, 实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1(即99),而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1(即100到139).

优先级范围

描述

0——99

实时进程

100——139

非实时进程

内核的优先级表示

内核表示优先级的所有信息基本都放在include/linux/sched/prio.h中, 其中定义了一些表示优先级的宏和函数.

优先级数值通过宏来定义, 如下所示,

其中MAX_NICE和MIN_NICE定义了nice的最大最小值

而MAX_RT_PRIO指定了实时进程的最大优先级,而MAX_PRIO则是普通进程的最大优先级数值

/*  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L4 */
#define MAX_NICE        19
#define MIN_NICE        -20
#define NICE_WIDTH      (MAX_NICE - MIN_NICE + 1)

/* http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L24  */
#define MAX_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 40)
#define DEFAULT_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 20)

描述

MIN_NICE

-20

对应于优先级100, 可以使用NICE_TO_PRIO和PRIO_TO_NICE转换

NICE_WIDTH

40

nice值得范围宽度, 即[-20, 19]共40个数字的宽度

MAX_RT_PRIO, MAX_USER_RT_PRIO

10 0

实时进程的最大优先级

MAX_PRIO

14 0

普通进程的最大优先级

DEFAULT_PRIO

12 0

进程的默认优先级, 对应于nice=0

MAX_DL_PRIO

0

使用EDF最早截止时间优先调度算法的实时进程最大的优先级

而内核提供了一组宏将优先级在各种不同的表示形之间转移

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L27
/*
 * Convert user-nice values [ -20 ... 0 ... 19 ]
 * to static priority [ MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1 ],
 * and back.
 */
#define NICE_TO_PRIO(nice)      ((nice) + DEFAULT_PRIO)
#define PRIO_TO_NICE(prio)      ((prio) - DEFAULT_PRIO)

/*
 * 'User priority' is the nice value converted to something we
 * can work with better when scaling various scheduler parameters,
 * it's a [ 0 ... 39 ] range.
 */
#define USER_PRIO(p)            ((p)-MAX_RT_PRIO)
#define TASK_USER_PRIO(p)       USER_PRIO((p)->static_prio)
#define MAX_USER_PRIO           (USER_PRIO(MAX_PRIO))

还有一些nice值和rlimit值之间相互转换的函数nice_to_rlimit和rlimit_to_nice, 这在nice系统调用进行检查的时候很有用, 他们定义在include/linux/sched/prio.h, L47中, 如下所示

/*
 * Convert nice value [19,-20] to rlimit style value [1,40].
 */
static inline long nice_to_rlimit(long nice)
{
    return (MAX_NICE - nice + 1);
}

/*
 * Convert rlimit style value [1,40] to nice value [-20, 19].
 */
static inline long rlimit_to_nice(long prio)
{
    return (MAX_NICE - prio + 1);
}

DEF最早截至时间优先实时调度算法的优先级描述

此外新版本的内核还引入了EDF实时调度算法, 它的优先级比RT进程和NORMAL/BATCH进程的优先级都要高, 关于EDF的优先级的设置信息都早内核头文件include/linux/sched/deadline.h

因此内核将MAX_DL_PRIO设置为0, 可以参见内核文件include/linux/sched/deadline.h

#define MAX_DL_PRIO             0

此外也提供了一些EDF优先级处理所需的函数, 如下所示, 可以参见内核文件include/linux/sched/deadline.h

static inline int dl_prio(int prio)
{
    if (unlikely(prio < MAX_DL_PRIO))
            return 1;
    return 0;
}

static inline int dl_task(struct task_struct *p)
{
    return dl_prio(p->prio);
}

static inline bool dl_time_before(u64 a, u64 b)
{
    return (s64)(a - b) < 0;
}

1.2 进程的优先级表示

struct task_struct
{
    /* 进程优先级
     * prio: 动态优先级,范围为100~139,与静态优先级和补偿(bonus)有关
     * static_prio: 静态优先级,static_prio = 100 + nice + 20 (nice值为-20~19,所以static_prio值为100~139)
     * normal_prio: 没有受优先级继承影响的常规优先级,具体见normal_prio函数,跟属于什么类型的进程有关
     */
    int prio, static_prio, normal_prio;
    /* 实时进程优先级 */
    unsigned int rt_priority;
}

动态优先级 静态优先级 实时优先级

其中task_struct采用了三个成员表示进程的优先级:prio和normal_prio表示动态优先级, static_prio表示进程的静态优先级.

为什么表示动态优先级需要两个值prio和normal_prio 调度器会考虑的优先级则保存在prio. 由于在某些情况下内核需要暂时提高进程的优先级, 因此需要用prio表示. 由于这些改变不是持久的, 因此静态优先级static_prio和普通优先级normal_prio不受影响.

此外还用了一个字段rt_priority保存了实时进程的优先级

字段

描述

static_prio

用于保存静态优先级, 是进程启动时分配的优先级, ,可以通过nice和sched_setscheduler系统调用来进行修改, 否则在进程运行期间会一直保持恒定

rt_priority

用于保存实时优先级

normal_prio

表示基于进程的静态优先级static_prio和调度策略计算出的优先级. 因此即使普通进程和实时进程具有相同的静态优先级, 其普通优先级也是不同的, 进程分叉(fork)时, 子进程会继承父进程的普通优先级

prio

保存进程的动态优先级

实时进程的优先级用实时优先级rt_priority来表示

2 进程优先级的计算

前面说了task_struct中的几个优先级的字段

静态优先级

实时优先级

普通优先级

动态优先级

static_prio

rt_priority

normal_prio

prio

但是这些优先级是如何关联的呢, 动态优先级prio又是如何计算的呢?

2.1 normal_prio函数设置普通优先级normal_prio

静态优先级static_prio(普通进程)和实时优先级rt_priority(实时进程)是计算的起点

因此他们也是进程创建的时候设定好的, 我们通过nice修改的就是普通进程的静态优先级static_prio

首先通过静态优先级static_prio计算出普通优先级normal_prio, 该工作可以由nromal_prio来完成, 该函数定义在kernel/sched/core.c#L861

/*
 * __normal_prio - return the priority that is based on the static prio
 * 普通进程(非实时进程)的普通优先级normal_prio就是静态优先级static_prio
 */
static inline int __normal_prio(struct task_struct *p)
{
    return p->static_prio;
}

/*
 * Calculate the expected normal priority: i.e. priority
 * without taking RT-inheritance into account. Might be
 * boosted by interactivity modifiers. Changes upon fork,
 * setprio syscalls, and whenever the interactivity
 * estimator recalculates.
 */
static inline int normal_prio(struct task_struct *p)
{
    int prio;

    if (task_has_dl_policy(p))              /*  EDF调度的实时进程  */
            prio = MAX_DL_PRIO-1;
    else if (task_has_rt_policy(p))       /*  普通实时进程的优先级  */
            prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;
    else                                              /*  普通进程的优先级  */
            prio = __normal_prio(p);
    return prio;
}

进程类型

调度器

普通优先级normal_prio

EDF实时进程

EDF

MAX_DL_PRIO-1 = -1

普通实时进程

RT

MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority = 99 - rt_priority

普通进程

CFS

__normal_prio(p) = static_prio

普通优先级normal_prio需要根据普通进程和实时进程进行不同的计算, 其中__normal_prio适用于普通进程, 直接将普通优先级normal_prio设置为静态优先级static_prio. 而实时进程的普通优先级计算依据其实时优先级rt_priority.

3.1.1 辅助函数task_has_dl_policy和task_has_rt_policy

定义在kernel/sched/sched.h#L117

其本质其实就是传入task->policy调度策略字段看其值等于SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH, SCHED_IDLE, SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_DEADLINE中的哪个, 从而确定其所属的调度类, 进一步就确定了其进程类型

static inline int idle_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_IDLE;
}
static inline int fair_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_NORMAL || policy == SCHED_BATCH;
}

static inline int rt_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_FIFO || policy == SCHED_RR;
}

static inline int dl_policy(int policy)
{
        return policy == SCHED_DEADLINE;
}
static inline bool valid_policy(int policy)
{
        return idle_policy(policy) || fair_policy(policy) ||
                rt_policy(policy) || dl_policy(policy);
}

static inline int task_has_rt_policy(struct task_struct *p)
{
        return rt_policy(p->policy);
}

static inline int task_has_dl_policy(struct task_struct *p)
{
        return dl_policy(p->policy);
}

2.1.2 关于rt_priority数值越大, 实时进程优先级越高的问题

我们前面提到了数值越小, 优先级越高, 但是此处我们会发现rt_priority的值越大, 其普通优先级越小, 从而优先级越高.

因此网上出现了一种说法, 优先级越高?这又是怎么回事?难道有一种说法错了吗?

实际的原因是这样的,对于一个实时进程,他有两个参数来表明优先级——prio 和 rt_priority,

prio才是调度所用的最终优先级数值,这个值越小,优先级越高;

而rt_priority 被称作实时进程优先级,他要经过转化——prio=MAX_RT_PRIO - 1- p->rt_priority;

MAX_RT_PRIO = 100, ;这样意味着rt_priority值越大,优先级越高;

而内核提供的修改优先级的函数,是修改rt_priority的值,所以越大,优先级越高。

所以用户在使用实时进程或线程,在修改优先级时,就会有“优先级值越大,优先级越高的说法”,也是对的。

2.1.3 为什么需要__normal_prio函数 我们肯定会奇怪, 为什么增加了一个__normal_prio函数做了这么简单的工作, 这个其实是有历史原因的: 在早期的o(1)调度器中, 普通优先级的计算涉及相当多技巧性地工作, 必须检测交互式进程并提高其优先级, 而必须”惩罚”非交互进程, 以便是得系统获得更好的交互体验. 这需要很多启发式的计算, 他们可能完成的很好, 也可能不工作

2.2 effective_prio函数设置动态优先级prio

可以通过函数effective_prio用静态优先级static_prio计算动态优先级prio, 即·

p->prio = effective_prio(p);

该函数定义在kernel/sched/core.c, line 861

/*
 * Calculate the current priority, i.e. the priority
 * taken into account by the scheduler. This value might
 * be boosted by RT tasks, or might be boosted by
 * interactivity modifiers. Will be RT if the task got
 * RT-boosted. If not then it returns p->normal_prio.
 */
static int effective_prio(struct task_struct *p)
{
    p->normal_prio = normal_prio(p);
    /*
     * If we are RT tasks or we were boosted to RT priority,
     * keep the priority unchanged. Otherwise, update priority
     * to the normal priority:
     */
    if (!rt_prio(p->prio))
            return p->normal_prio;
    return p->prio;
}

我们会发现函数首先effective_prio设置了普通优先级, 显然我们用effective_prio同时设置了两个优先级(普通优先级normal_prio和动态优先级prio)

因此计算动态优先级的流程如下

  • 设置进程的普通优先级(实时进程99-rt_priority, 普通进程为static_priority)
  • 计算进程的动态优先级(实时进程则维持动态优先级的prio不变, 普通进程的动态优先级即为其普通优先级)

最后, 我们综述一下在针对不同类型进程的计算结果

进程类型

实时优先级rt_priority

静态优先级static_prio

普通优先级normal_prio

动态优先级prio

EDF调度的实时进程

rt_priority

不使用

MAX_DL_PRIO-1

维持原prio不变

RT算法调度的实时进程

rt_priority

不使用

MAX_RT_PRIO-1-rt_priority

维持原prio不变

普通进程

不使用

static_prio

static_prio

static_prio

2.2.1 为什么effective_prio使用优先级数值检测实时进程

t_prio会检测普通优先级是否在实时范围内, 即是否小于MAX_RT_PRIO.参见include/linux/sched/rt.h#L6

static inline int rt_prio(int prio)
{
    if (unlikely(prio < MAX_RT_PRIO))
        return 1;
    return 0;
}

而前面我们在normal_prio的时候, 则通过task_has_rt_policy来判断其policy属性来确定

policy == SCHED_FIFO || policy == SCHED_RR;

那么为什么effective_prio重检测实时进程是rt_prio基于优先级数值, 而非task_has_rt_policy或者rt_policy?

对于临时提高至实时优先级的非实时进程来说, 这个是必要的, 这种情况可能发生在是哦那个实时互斥量(RT-Mutex)时.

2.3 设置prio的时机

  • 在新进程用wake_up_new_task唤醒时, 或者使用nice系统调用改变其静态优先级时, 则会通过effective_prio的方法设置p->prio

wake_up_new_task(), 计算此进程的优先级和其他调度参数,将新的进程加入到进程调度队列并设此进程为可被调度的,以后这个进程可以被进程调度模块调度执行。

  • 进程创建时copy_process通过调用sched_fork来初始化和设置调度器的过程中会设置子进程的优先级

2.4 nice系统调用的实现

nice系统调用是的内核实现是sys_nice, 其定义在kernel/sched/core.c#L7498

它在通过一系列检测后, 通过set_user_nice函数, 其定义在kernel/sched/core.c#L3497

关于其具体实现我们会在另外一篇博客里面详细讲

2.5 fork时优先级的继承

在进程分叉处子进程时, 子进程的静态优先级继承自父进程. 子进程的动态优先级p->prio则被设置为父进程的普通优先级, 这确保了实时互斥量引起的优先级提高不会传递到子进程.

可以参照sched_fork函数, 在进程复制的过程中copy_process通过调用sched_fork来设置子进程优先级, 参见sched_fork函数

/*
 * fork()/clone()-time setup:
 */
int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
{
    /*  ......  */
    /*
     * Make sure we do not leak PI boosting priority to the child.
     * 子进程的动态优先级被设置为父进程普通优先级 
     */
    p->prio = current->normal_prio;

    /*
     * Revert to default priority/policy on fork if requested.
     * sched_reset_on_fork标识用于判断是否恢复默认的优先级或调度策略

     */
    if (unlikely(p->sched_reset_on_fork))  /*  如果要恢复默认的调度策略, 即SCHED_NORMAL  */
    {
        /*   首先是设置静态优先级static_prio
         *   由于要恢复默认的调度策略
         *   对于父进程是实时进程的情况, 静态优先级就设置为DEFAULT_PRIO
         *
         *   对于父进程是非实时进程的情况, 要保证子进程优先级不小于DEFAULT_PRIO
         *   父进程nice < 0即static_prio < 的重新设置为DEFAULT_PRIO的重新设置为DEFAULT_PRIO
         *   父进程nice > 0的时候, 则什么也没做
         *   */
        if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p))
        {
            p->policy = SCHED_NORMAL;           /*  普通进程调度策略  */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);   /*  静态优先级为nice = 0 即DEFAULT_PRIO*/
            p->rt_priority = 0;                             /*  实时优先级为0  */
        }
        else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)  /*  */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);   /*  */

        /*  接着就通过__normal_prio设置其普通优先级和动态优先级
          *  这里做了一个优化, 因为用sched_reset_on_fork标识设置恢复默认调度策略后
          *  创建的子进程是是SCHED_NORMAL的非实时进程
          *  因此就不需要绕一大圈用effective_prio设置normal_prio和prio了 
          *  直接用__normal_prio设置就可  */
        p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p); /*  设置*/

        /*  设置负荷权重  */
        set_load_weight(p);

        /*
         * We don't need the reset flag anymore after the fork. It has
         * fulfilled its duty:
         */
        p->sched_reset_on_fork = 0;
    }
    /*  ......  */
}

3 总结

task_struct采用了四个成员表示进程的优先级:prio和normal_prio表示动态优先级, static_prio表示进程的静态优先级. 同时还用了rt_priority表示实时进程的优先级

字段

描述

static_prio

用于保存静态优先级, 是进程启动时分配的优先级, ,可以通过nice和sched_setscheduler系统调用来进行修改, 否则在进程运行期间会一直保持恒定

prio

进程的动态优先级, 这个有显示才是调度器重点考虑的进程优先级

normal_prio

普通进程的静态优先级static_prio和调度策略计算出的优先级. 因此即使普通进程和实时进程具有相同的静态优先级, 其普通优先级也是不同的, 进程分叉(fork)时, 子进程会继承父进程的普通优先级, 可以通过normal_prio来计算(非实时进程用static_prIo计算, 实时进程用rt_priority计算)

rt_priority

实时进程的静态优先级

调度器会考虑的优先级则保存在prio. 由于在某些情况下内核需要暂时提高进程的优先级, 因此需要用prio表示. 由于这些改变不是持久的, 因此静态优先级static_prio和普通优先级normal_prio不受影响.

此外还用了一个字段rt_priority保存了实时进程的优先级静态优先级static_prio(普通进程)和实时优先级rt_priority(实时进程)是计算的起点, 通过他们计算进程的普通优先级normal_prio和动态优先级prio.

内核通过normal_prIo函数计算普通优先级normal_prio

通过effective_prio函数计算动态优先级prio

参考 进程调度之sys_nice()系统调用 linux调度器源码研究 - 概述(一) 深入 Linux 的进程优先级

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • Linux进程调度策略的发展和演变--Linux进程的管理与调度(十六)

    调度器面对的情形就是这样, 其任务是在程序之间共享CPU时间, 创造并行执行的错觉, 该任务分为两个不同的部分, 其中一个涉及调度策略, 另外一个涉及上下文切换...

    233333
  • Linux下进程的创建过程分析(_do_fork do_fork详解)--Linux进程的管理与调度(八)

    Unix标准的复制进程的系统调用时fork(即分叉),但是Linux,BSD等操作系统并不止实现这一个,确切的说linux实现了三个,fork,vfork,cl...

    233333
  • Linux内存寻址之分段机制及分页机制【转】

    本文涉及的硬件平台是X86,如果是其他平台的话,如ARM,是会使用到MMU,但是没有使用到分段机制; 最近在学习Linux内核,读到《深入理解Linux内核》...

    233333
  • 图灵奖得主Bengio:AI不仅要问“是什么”,更要问“为什么”

    今年3月,Yoshua Bengio因对深度学习的发展做出的贡献而获得了计算机科学领域的最高荣誉:图灵奖。深度学习技术引发了人工智能的复兴,推动了自动驾驶汽车、...

    新智元
  • 关于UI的容易弄错的入门知识

    写过 UI的同学一定知道 layout_gravity和 gravity这两个属性,

    PhoenixZheng
  • 吴恩达官宣下一步:新推深度学习新课程,继续培养AI人才

    李林 允中 编译整理 量子位 出品 | 公众号 QbitAI 刚刚,吴恩达如期发布了自己的新动向。 今年3月,吴恩达从百度首席科技学家人上离职后,关于他新动向的...

    量子位
  • 图解OpenAI的秘密武器GPT-2:可视化Transformer语言模型

    今年,我们见识了许多令人眼花缭乱的机器学习的应用成果。其中OpenAI训练的GPT-2模型就展示出了惊艳的能力,它能够撰写出连贯而富有激情的论文,比当下其他所有...

    昱良
  • 【DeepMind&OpenAI】利用人类偏好深度强化学习,机器学会后空翻

    【新智元导读】DeepMind 和 OpenAI 合作的新研究,让没有技术经验的人类给强化学习系统提供反馈,从而避免事先为系统指定目标的步骤。在某些情况下,这种...

    新智元
  • 【重磅】美国人工智能前沿峰会日程预告:吴恩达、田渊栋、任小枫等25位AI专家分享最新成果

    【导读】人工智能前沿峰会( AI Frontiers)将在美国圣塔克拉拉会议中心11月3号到5号举行。这次大会邀请来自谷歌、Facebook、微软和亚马逊等人工...

    WZEARW
  • 图解OpenAI的秘密武器GPT-2:可视化Transformer语言模型

    今年,我们见识了许多令人眼花缭乱的机器学习的应用成果。其中OpenAI训练的GPT-2模型就展示出了惊艳的能力,它能够撰写出连贯而富有激情的论文,比当下其他所有...

    大数据文摘

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券