图解Linux进程调度（二）

优先级与调度策略：

在内核中，肯定不能对所有的进程一视同仁，有的进程需要优先运行，有的进程需要运行更长的时间

为了更好地实现进程调度，每个进程都有自己的优先级和调度策略

所谓优先级，就是表示这个进程的重要性，优先级高的自然会被更好的对待

那调度策略又是什么呢？想一想，进程调度其实是一个非常复杂的问题，想使用一种算法来实现良好的进程调度是不可能的，Linux内核实现了好几种调度算法。所谓调度策略，你可以理解为使用哪种算法来管理进程

每个进程都使用 task_struct 结构来表示，在这个结构体中，关于调度策略的定义如下：

unsigned int policy;

policy 表示该进程采用哪种调度策略，内核提供了以下几种调度策略policy 表示该进程采用哪种调度策略，内核提供了以下几种调度策略：

#define SCHED_NORMAL  0
#define SCHED_FIFO  1
#define SCHED_RR  2
#define SCHED_BATCH  3
#define SCHED_IDLE  5
#define SCHED_DEADLINE  6

Linux内核的进程大概可分为两类，一类是普通进程，一类是实时进程

其中属于实时进程的调度策略是：

• SCHED_FIFO
• SCHED_RR
• SCHED_DEADLINE

属于普通进程的调度策略是：

• SCHED_NORMAL
• SCHED_BATCH
• SCHED_IDLE

下面我来跟你详细讲解每个调度策略代表什么：

• SCHED_DEADLINE：这是实时进程的调度策略，它是按照任务的deadline来调度的，当产生一个调度点的时候，总会选取距离deadline最近的进程来运行
• SCHED_FIFO：这是实时进程的一种调度策略，FIFO表示先进先出机制，在使用该调度策略的进程被选中运行后，它可以运行任意长时间，直到更高优先级的进程抢占或者自己让出CPU
• SCHED_RR：这也是实时进程的调度策略，RR是时间片轮转调度，每个使用该调度策略的进程都有自己的时间片，进程运行直到时间片耗尽，再将其添加到运行队列尾部，如此循环
• SCHED_NORMAL：表示普通进程的调度策略，内核大多数进程都属于普通进程，普通进程使用完全公平调度算法实现调度
• SCHED_BATCH：是用于非交互，CPU使用密集的批处理进程，它和普通进程都是使用完全公平调度算法来实现。内核中在某时刻可以去唤醒某个进程，如果这个进程的调度策略是SCHED_BATCH，那它就不会去抢占当前正在运行的进程
• SCHED_IDLE：是用于特别空闲的进程使用的调度策略

讲完调度策略，我们来将优先级

task_struct 中关于优先级的定义如下：

int prio, static_prio, normal_prio;
unsigned int rt_priority;

• 是的，内核使用了四个变量来表示优先级，这四个变量之间的关系相当复杂，不过没关系，我会尽量地解释清楚：
• prio：动态优先级，进程调度中判断一个进程的优先级都是使用此变量
• normal_prio：这个变量也表示动态优先级，它表示正常的优先级。最初的时候 prio 是等于 normal_prio 的，只不过有的时候进程的优先级需要临时改变，所以会改变prio，但是 normal_prio 是不会变的。在创建子进程的时候，子进程继承的优先级是normal_prio，而不是prio
• static_prio：表示进程优先级，进程启动的时候赋值的，内核不会去改变它，只能用户通过nice和sched_setscheduler 系统调用来设置
• rt_priority：只有实时进程才会用到的优先级，其值范围是0~99，最低优先级是0，最高优先级是99

这四个变量有什么联系呢？

prio 和 normal_prio 最初的值是相等的，它们都是基于 static_prio 或者 rt_priority 计算的（至于基于 staticc_prio 还是 rt_priority，取决于调度策略）

下面来看一看内核的代码

内核中将0139的优先级划分为两个范围，099表示实时进程优先级，100~139的优先级表示普通进程的优先级，数值越小表示优先级越高：

首先我们讲static_prio，进程启动的时候会设置好静态优先级。如果需要修改，可以通过nice系统调用来设置，nice的范围是-2019，最终映射到优先级为100139的部分，如下所示：

内核中定义如下:

/* nice的范围 */
#define MAX_NICE 19
#define MIN_NICE -20
#define NICE_WIDTH (MAX_NICE - MIN_NICE + 1) //20

#define DEFAULT_PRIO  (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2) //120

#define NICE_TO_PRIO(nice) ((nice) + DEFAULT_PRIO) //100~139

void set_user_nice(struct task_struct *p, long nice)
{
    ...
    p->static_prio = NICE_TO_PRIO(nice);
 ...
}

而 rt_priority 动态优先级又是怎么指定的呢？

用户层可以通过 sched_setscheduler，将普通进程更改为实时进程，通过更改进程的调度策略，同时设置 rt_priority，也就是说它的值可以是应用程序指定的，范围是0~99

在清楚 static_prio 和 rt_priority 怎么得来之后，我们来看看 normal_prio 和 prio 这两个变量是怎么计算的

内核中通过下面的代码来设置:

p->prio = effective_prio(p);

看一下 effective_prio 的定义:

static int effective_prio(struct task_struct *p)
{
 p->normal_prio = normal_prio(p);

 if (!rt_prio(p->prio))
  return p->normal_prio;

    /* 如果进程的优先级本来是实时优先级或者进程被提高到实时进程，那么就保持不变 */
    return p->prio;
}

可以看到，通过这条指令 p->prio = effective_prio§，会同时设置 prio 和 normal_prio，下面来看看 normal_prio 函数的定义，这个函数也是解开这几个变量之间关系的关键：

#define MAX_DL_PRIO  0

static inline int normal_prio(struct task_struct *p)
{
 int prio;

 if (task_has_dl_policy(p)) //deadline调度策略
  prio = MAX_DL_PRIO-1; //-1
 else if (task_has_rt_policy(p)) //FIFO或者RR的调度策略
  prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority; //99-rt_priority
 else //普通进程调度策略（NORMAL、BATCH、IDLE）
  prio = __normal_prio(p);
 return prio;
}

normal_prio 根据进程不同的调度策略，使用不同的方法来设置进程的优先级：

• 如果进程采用 SCHED_DEADLINE 调度策略，那么优先级就等于-1，这可不在正常的0~139范围内，可见SCHED_DEADLINE 调度策略的优先级是极高的。
• 如果进程采用 SCHED_FIFO 或者 SCHED_RR 调度策略，那么优先级就等于 99 - rt_priority，rt_priority 的范围是0~99。当rt_priority 的越大，优先级数值越小，优先级就越高。这也就是为什么动态优先级 rt_priority 越大，优先级越大。
• 如果是采用 SCHED_NORMAL、SCHED_BATCH、SCHED_IDLE 调度策略，那么就采用 __normal_prio 来计算，其定义如下

static inline int __normal_prio(struct task_struct *p)
{
    /* 直接返回static_prio */
 return p->static_prio;
}

将上述的关系整理下表：

优先级和调度策略都存在于 task_struct 中，它们都是描述进程的信息，它们具体有什么用，我们下面将会介绍。

文章参考：https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/102887008?spm=1001.2014.3001.5502