linux 操作系统的进程调度（上） -- 进程调度的基本概念

1. 引言

操作系统中，每时每刻都有着许许多多的进程在执行着，即便是现在最为强大的多核心 CPU，同时能够执行的任务数量也是相当有限的，那么，在这样资源有限的场景下，这么多进程如何来调度，哪些进程更重要哪些进程的执行可以稍微暂缓呢？这就是操作系统调度器的工作。本文我们就来详细介绍一下。

2. 操作系统中进程的分类

众所周知，根据进程的运行状态，进程可以被划分为两类：

1. IO 密集型：频繁 IO，但占用 CPU 的时间不多；
2. CPU 密集型：进程执行过程中很少执行 IO 操作，大部分时间都在占用 CPU 资源执行计算任务。

我们常见的与用户发生交互的程序一般都是 IO 密集型进程，这类进程很少占用 CPU，大部分时间在等待着用户进行操作或者 IO 操作完成，但一旦用户进行了操作，CPU 就必须立即响应，否则就会直接影响到用户的体验，想象一下，你移动了一下鼠标，CPU 由于被 CPU 密集型进程占用着，而让你的鼠标在屏幕上一顿一顿地移动，这显然太过于糟糕。所以 IO 密集型进程的优先级却要高于 CPU 密集型进程。

而非交互式进程通常是需要密集计算的 CPU 密集型进程，这类进程由于不与用户交互，从而在用户无感知的情况下运行，对响应时间的要求也就没有 IO 密集型进程那么高，所以在操作系统中，他们就属于低优先级进程。

3. 进程优先级

在操作系统中，同时运行着那么多进程，操作系统是如何确定每个进程的优先级呢？

在 Linux 操作系统中，系统会为每个进程打一个分，这个分就是 PR 值，它是 Priority 的前两个字母。

通过 PR 值的范围，linux 换分出了两类进程：

1. 实时进程 -- PR 值在 0 到 99 之间，PR 值越大，优先级越高；
2. 普通进程 -- PR 值在 100 到 139 之间，PR 值越小，优先级越高。

但有时，用户可能会不认可操作系统的优先级数值，而是想要去手动调整进程的优先级。此时，如果让用户直接干预 PR 值，那风险就显得很大。Linux 为用户层设计了一个 Nice 值，翻译为“谦让值”。

PR = PR + Nice

Nice 值取值为 -20 到 19，它的存在让用户得以在一定范围内对 PR 值进行调整。

由于用户能够干预的一般都是普通进程，因此，Nice 值为 0 表示不干预，负值表示增加优先级，正值表示降低优先级。

4. 操作系统调度策略

在调度进程时，操作系统有两种选择：

1. 协作式调度 -- 进程一旦被调度运行，除非他运行结束或主动释放 CPU，否则它将一直占用 CPU。
2. 抢占式调度 -- 进程占用 CPU 的期间可以被其他进程夺走对 CPU 的占用，由操作系统决定每个进程占用 CPU 多久。

显然，协作式调度的方式下，执行中的进程一旦想要让出 CPU，它必须自己去保存自己的工作状态，而操作系统所需要做的仅仅是在一个任务让出 CPU 后决定让谁来接替它，这样的设计方式简单而高效，但缺陷也显而易见，一旦一个不那么重要的进程长期霸占 CPU，其他进程都将得不到执行。

而抢占式调度的模式下，操作系统尽管增加了进程切换的开销以及调度算法设计的复杂度，但却可以更加灵活地分配 CPU 的时间资源，所以常见的操作系统一般都采用抢占式调度的策略。

5. 调度器设计思路

调度器设计中需要考虑两个重要指标：

1. 周转时间 -- 进程任务从开始排队等待 CPU 资源直到任务完成的时间差。
2. 响应时间 -- 进程任务从开始排队等待 CPU 资源直到被调度使用 CPU 的时间差。

可以设想，众多等待执行的进程就像是在超市中等待结账的顾客，对他们而言，“响应时间”相当于排队的时间，“周转时间”相当于从开始排队完成结账的时间。对于这些顾客而言，缩短周转时间是他们的核心诉求，但对于超市来说，综合考虑不同顾客对于排队时长的特殊诉求，合理安排所有顾客的排队顺序，才能够降低系统周转时间，拥有良好的用户体验。

综合来说，操作系统的调度原则是：

1. 相较于普通进程，实时进程需要更加优先调度；
2. IO 密集型进程需要频繁调度，以保证缩短响应时间，但单次调度中的执行时长可以缩短，也就是尽量少分配时间片，从而保证系统周转时间的缩短；
3. CPU 密集型进程可以减少调度频率，进而保障 IO 密集型进程的响应，但单次调度中，CPU 密集型进程可以延长执行时长，也就是适当分配较长的时间片，从而提升 CPU 资源的使用率，缩短整体周转时间。

6. 结语

本文，我们从操作系统的整体层面，了解了操作系统进程调度的基本概念和设计思想，但我们尚未触及核心部分，到底 linux 系统中的调度器是如何设计的，又有着怎样的历史沿革，出现了哪些算法？它们之间又有着哪些优劣？敬请期待下一篇文章的详细讲解。