调度器简介,以及Linux的调度策略

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多多线程 是操作系统虚拟出来的概念,用来组织计算机中的任务。但随着多多线程 被赋予太久的任务,多多线程 好像有了真实的生命,它从诞生就随着CPU时间执行,直到最终消失。不过,多多线程 的生命都得到了操作系统内核的关照。就好像疲于照顾2个孩子的母亲内核可不可不可不上能了做出决定,咋样在多多线程 间分配有限的计算资源,最终让用户获得最佳的使用体验。内核中安排多多线程 执行的模块称为调度器(scheduler)。这里将介绍调度器的工作依据。

多多线程 状况

调度器可不可不可不上能切换多多线程 状况(process state)。3个 Linux多多线程 从被创建到死亡,机会会经过太久种状况,比如执行、暂停、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出等。让让我们我们我们 可不可不可不上能把Linux下繁多的多多线程 状况,归纳为五种基本状况。

  • 就绪(Ready): 多多线程 机会获得了CPU以外的所有必要资源,如多多线程 空间、网络连接等。就绪状况下的多多线程 等到CPU,便可立即执行。
  • 执行(Running):多多线程 获得CPU,执行多多线程 。
  • 阻塞(Blocked):当多多线程 机会等待的图片 某个事件而无法执行时,便放弃CPU,存在阻塞状况。

 

图1 多多线程 的基本状况

多多线程 创建后,就自动变成了就绪状况。机会内核把CPU时间分配给该多多线程 ,这麼多多线程 就从就绪状况变成了执行状况。在执行状况下,多多线程 执行指令,最为活跃。正在执行的多多线程 可不可不可不上能主动进入阻塞状况,比如这个 多多线程 可不可不可不上能了将一每段硬盘中的数据读取到内存中。在这段读取时间里,多多线程 可不可不可不上能了了使用CPU,可不可不可不上能主动进入阻塞状况,让出CPU。当读取那我开始英文英文时,计算机硬件发出信号,多多线程 再从阻塞状况恢复为就绪状况。多多线程 也可不可不可不上能被迫进入阻塞状况,比如接收到SIGSTOP信号。

调度器是CPU时间的管理员。Linux调度器可不可不可不上能了负责做两件事:一件事是挑选太久就绪的多多线程 来执行;另一件事是打断太久执行中的多多线程 ,让它们变回就绪状况。不过,并后会 所有的调度器后会 第3个功能。有的调度器的状况切换是单向的,可不可不可不上能了让就绪多多线程 变成执行状况,可不可不可不上能了把正在执行中的多多线程 变回就绪状况。支持双向状况切换的调度器被称为抢占式(pre-emptive)调度器。

调度器在让3个 多多线程 变回就绪时,就会立即让那你可不可不可不上能绪的多多线程 那我刚开始英文英文执行。多个多多线程 接替使用CPU,从而最大速度单位地利用CPU时间。当然,机会执行中多多线程 主动进入阻塞状况,这麼调度器也会挑选那你可不可不可不上能绪多多线程 来消费CPU时间。所谓的上下文切换(context switch)太久我指多多线程 在CPU中切换执行的过程。内核承担了上下文切换的任务,负责储存和重建多多线程 被切换掉那我的CPU状况,从而让多多线程 感觉可不可不可不上能了太久人的执行被中断。应用多多线程 的开发者在编写计算机多多线程 时,就我太久 专门写代码处里上下文切换了。 

多多线程 的优先级

调度器分配CPU时间的基本依据,太久我多多线程 的优先级。根据多多线程 任务性质的不同,多多线程 可不可不可不上能有不同的执行优先级。根据优先级特点,让让我们我们我们 可不可不可不上能把多多线程 分为五种类别。

  • 实时多多线程 (Real-Time Process):优先级高、可不可不可不上能了尽快被执行的多多线程 。它们一定可不可不可不上能了被普通多多线程 所阻挡,同类视频播放、各种监测系统。
  • 普通多多线程 (Normal Process):优先级低、更长执行时间的多多线程 。同类文本编译器、批处里一段文档、图形渲染。

普通多多线程 根据行为的不同,还可不可不可不上能被分成互动多多线程 (interactive process)和批处里多多线程 (batch process)。互动多多线程 的例子有图形界面,它们机会存在长时间的等待的图片 状况,同类等待的图片 用户的输入。一旦特定事件存在,互动多多线程 可不可不可不上能了尽快被激活。一般来说,图形界面的反应时间是400到400毫秒。批处里多多线程 这麼与用户交互的,往往在后台被默默地执行。

实时多多线程 由Linux操作系统创造,普通用户可不可不可不上能了创建普通多多线程 。五种多多线程 的优先级不同,实时多多线程 的优先级永远高于普通多多线程 。多多线程 的优先级是3个 0到139的整数。数字越小,优先级越高。其中,优先级0到99留给实时多多线程 ,400到139留给普通多多线程 。

3个 普通多多线程 的默认优先级是120。让让我们我们我们 可不可不可不上能用命令nice来修改3个 多多线程 的默认优先级。同类有3个 可执行多多线程 叫app,执行命令:

命令中的-20指的是从默认优先级上减去20。通过这个 命令执行app多多线程 ,内核会将app多多线程 的默认优先级设置成400,也太久我普通多多线程 的最高优先级。命令中的-20可不可不可不上能被打上去-20至19中任何3个 整数,包括-20 和 19。默认优先级机会变成执行时的静态优先级(static priority)。调度器最终使用的优先级根据的是多多线程 的动态优先级:

动态优先级 = 静态优先级 – Bonus + 5

机会这个 公式的计算结果小于400或大于139,机会取400到139范围内最接近计算结果的数字作为实际的动态优先级。公式中的Bonus是3个 估计值,这个 数字越大,代表着它机会越可不可不可不上能了被优先执行。机会内核发现这个 多多线程 可不可不可不上能了3个 劲跟用户交互,机会把Bonus值设置成大于5的数字。机会多多线程 不3个 劲跟用户交互,内核机会把多多线程 的Bonus设置成小于5的数。

O(n)和O(1)调度器

下面介绍Linux的调度策略。最原始的调度策略是按照优先级排列好多多线程 ,等到3个 多多线程 运行完了再运行优先级较低的3个 ,但这个 策略完正无法发挥多任务系统的优势。而且,随着时间推移,操作系统的调度器也多次进化。

先来看Linux 2.4内核推出的O(n)调度器。O(n)这个 名字,来源于算法繁杂度的大O表示法。大O符号代表这个 算法在最坏状况下的繁杂度。字母n在这里代表操作系统中的活跃多多线程 数量。O(n)表示这个 调度器的时间繁杂度和活跃多多线程 的数量成正比。

O(n)调度器把时间分成絮状的微小时间片(Epoch)。在每个时间片那我刚开始英文英文的那我,调度器会检查所有存在就绪状况的多多线程 。调度器计算每个多多线程 的优先级,而且挑选优先级最高的多多线程 来执行。一旦被调度器切换到执行,多多线程 可不可不可不上能不被打扰地用尽这个 时间片。机会多多线程 这麼用尽时间片,这麼该时间片的剩余时间会增加到下3个 时间片中。

O(n)调度器在每次使用时间片前后会 检查所有就绪多多线程 的优先级。这个 检查时间和多多线程 中多多线程 数目n成正比,这也正是该调度器繁杂度为O(n)的是愿因。当计算机所含絮状多多线程 在运行时,这个 调度器的性能机会被大大降低。也太久我说,O(n)调度器这麼很好的可拓展性。O(n)调度器是Linux 2.6那我使用的多多线程 调度器。当Java语言逐渐流行后,机会Java虚拟机会创建絮状多多线程 ,调度器的性能问題变得更加明显。

为了处里O(n)调度器的性能问題,O(1)调度器被发明权了出来,并从Linux 2.6内核那我刚开始英文英文使用。顾名思义,O(1)调度器是指调度器每次挑选要执行的多多线程 的时间后会 3个 单位的常数,和系统中的多多线程 数量无关。那我,就算系统所含絮状的多多线程 ,调度器的性能太久我会下降。O(1)调度器的创新之存在于,它会把多多线程 按照优先级排好,插进特定的数据内部管理中。在挑选下3个 要执行的多多线程 时,调度器我太久 遍历多多线程 ,就可不可不可不上能直接挑选优先级最高的多多线程 。

和O(n)调度器同类,O(1)也是把时间片分配给多多线程 。优先级为120以下的多多线程 时间片为:

(140–priority)×20毫秒

优先级120及以上的多多线程 时间片为:

(140–priority)×5 毫秒

O(1)调度器会用3个 队列来存插多多线程 。3个 队列称为活跃队列,用于存储哪些地方地方待分配时间片的多多线程 。那我队列称为过期队列,用于存储哪些地方地方机会享用过时间片的多多线程 。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出3个 多多线程 。这个 多多线程 用尽时间片,就会转移到过期队列。当活跃队列的所有多多线程 都被执行那我,调度器就会把活跃队列和过期队列对调,用同样的依据继续执行哪些地方地方多多线程 。

上边的描述这麼考虑优先级。加入优先级后,状况会变得繁杂太久。操作系统会创建140个活跃队列和过期队列,对应优先级0到139的多多线程 。一那我刚开始英文英文,所有多多线程 后会 插进活跃队列中。而且操作系统会从优先级最高的活跃队列那我刚开始英文英文依次挑选多多线程 来执行,机会3个 多多线程 的优先级相同,让让我们我们我们 有相同的概率被选中。执行一次后,这个 多多线程 会被从活跃队列中剔除。机会这个 多多线程 在这次时间片中这麼彻底完成,它会被加入优先级相同的过期队列中。当140个活跃队列的所有多多线程 都被执行那我,过期队列中机会有太久多多线程 。调度器将对调优先级相同的活跃队列和过期队列继续执行下去。过期队列和活跃队列,如图2所示。

图2 过期队列和活跃队列(可不可不可不上能了替换)

让让我们我们我们 下面看3个 例子,有3个多多线程 ,如表1所示。

表1 多多线程



Linux操作系统中的多多线程 队列(run queue),如表2所示。

表2 多多线程 队列

这麼在3个 执行周期,被选中的多多线程 依次是先A,而且B和C,过后 是D,最后是E。

注意,普通多多线程 的执行策略并这麼保证优先级为400的多多线程 会先被执行完进入那我开始英文英文状况,再执行优先级为101的多多线程 ,太久我在每个对调活跃和过期队列的周期中后会 机会被执行,这个 设计是为了处里多多线程 饥饿(starvation)。所谓的多多线程 饥饿,太久我优先级低的多多线程 过后 都这麼机会被执行。

让让我们我们我们 看过,O(1)调度器在挑选下3个 要执行的多多线程 时很简单,可不可不可不上能了了遍历所有多多线程 。而且它依然有太久缺点。多多线程 的运行顺序和时间片长度极度依赖于优先级。比如,计算优先级为400、110、120、1400和139这2个多多线程 的时间片长度,如表3所示。

表3 多多线程 的时间片长度

从表格中你可不可不可不上能发现,优先级为110和120的多多线程 的时间片长度差距比120和1400之间的大了10倍。也太久我说,多多线程 时间片长度的计算存在很大的随机性。O(1)调度器会根据平均休眠时间来调整多多线程 优先级。该调度器假设哪些地方地方休眠时间长的多多线程 是等待的图片 的图片 用户互动。哪些地方地方互动类的多多线程 应该获得更高的优先级,以便给用户更好的体验。一旦这个 假设不成立,O(1)调度器对CPU的调配就会3个 劲总出 问題。

完正公平调度器

从4007年发布的Linux 2.6.23版本起,完正公平调度器(CFS,Completely Fair Scheduler)取代了O(1)调度器。CFS调度器不对多多线程 进行任何形式的估计和猜测。这个 点和O(1)区分互动和非互动多多线程 的做法完正不同。

CFS调度器增加了3个 虚拟运行时(virtual runtime)的概念。每次3个 多多线程 在CPU中被执行了一段时间,就会增加它虚拟运行时的记录。在每次挑选要执行的多多线程 时,后会 挑选优先级最高的多多线程 ,太久我挑选虚拟运行时相当于 的多多线程 。完正公平调度器用五种叫红黑树的数据内部管理取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树可不可不可不上能高效地找到虚拟运行最小的多多线程 。

让让我们我们我们 先通过例子来看CFS调度器。假使 一台运行的计算机中那我拥有A、B、C、D3个多多线程 。内核记录着每个多多线程 的虚拟运行时,如表4所示。

表4 每个多多线程 的虚拟运行时

系统增加3个 新的多多线程 E。新创建多多线程 的虚拟运行时我太久 被设置成0,而会被设置成当前所有多多线程 最小的虚拟运行时。这能保证该多多线程 被较快地执行。在那我的多多线程 中,最小虚拟运行时是多多线程 A的1 000纳秒,而且E的初始虚拟运行后会 被设置为1 000纳秒。新的多多线程 列表如表5所示。

表5 新的多多线程 列表

假使 调度器可不可不可不上能了挑选下3个 执行的多多线程 ,多多线程 A会被选中执行。多多线程 A会执行3个 调度器决定的时间片。假使 多多线程 A运行了2400纳秒,那它的虚拟运行时增加。而太久的多多线程 这麼运行,太久虚拟运行时不变。在A消耗完时间片后,更新后的多多线程 列表,如表6所示。

表6 更新后的多多线程 列表

可不可不可不上能看过,多多线程 A的排序下降到了第三位,下3个 将要被执行的多多线程 是多多线程 E。从本质上看,虚拟运行时代表了该多多线程 机会消耗了2个CPU时间。机会它消耗得少,这麼理应优先获得计算资源。

按照上述的基本设计理念,CFS调度器能让所有多多线程 公平地使用CPU。听起来,这让多多线程 的优先级变得毫无意义。CFS调度器也考虑到了这个 点。CFS调度器会根据多多线程 的优先级来计算3个 时间片因子。同样是增加2400纳秒的虚拟运行时,优先级低的多多线程 实际获得的机会可不可不可不上能了400纳秒,而优先级高的多多线程 实际获得机会有400纳秒。那我,优先级高的多多线程 就获得了更多的计算资源。

以上太久我调度器的基本原理,以及Linux用过的几种调度策略。调度器可不可不可不上能更加合理地把CPU时间分配给多多线程 。现代计算机后会 多任务系统,调度器在多任务系统中起着顶梁柱的作用。

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