第四章：进程调度
一、多任务
1.非抢占式多任务
进程会一直执行直到自己主动停止运行（这一步骤称为让步）
2.抢占式多任务
Linux/Unix使用的是抢占式的方式；强制的挂起进程的动作就叫做抢占。进程在被抢占之前能够运行的时间是预先设置好的（也就是进程的时间片）
二、与策略相关的概念
1.进程的消耗类型
- I/O消耗型进程
- 进程的大部分时间用来提交I/O请求或者等待I/O请求
- 多数用户图形界面（GUI）都属于I/O密集型
- 处理器耗费型
- 时间大多数用在执行代码上
- 例如MATLAB
- 往往要延长运行时间并降低调度频率
2.进程优先级
- 基于优先级的调度：优先极高的进程先运行；相同优先级的进程按照轮转方式进行调度；
- 优先级分为两类
- nice值（从-20——+19）：默认值为0；数值越大意味着优先级越低；可以通过 ps-el查看系统进程列表并找到NI标记列对应的优先级
- 实时优先级（从0——99）：越高的实时优先级级数意味着进程优先级越高
- 二者互不交互
- 时间片
- 时间片表示进程在被抢占之前所能够持续运行的时间；调度策略必须确定一个默认的时间片；
- Linux的CFS调度器并没有直接划分时间片到进程，而是将处理器的使用比例划分给了进程。也就是说，其抢占时机取决于新的可执行程序消耗了多少处理器使用比，如果消耗的使用比比当前进程小，则新进程立即投入运行抢占当前进程。
三、Linux调度算法
1.调度器类
- Linux调度器是以模块方式提供的（也就是调度器类），目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法
- 调度器类允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程；
- 调度器代码会按照优先级顺序遍历调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度器类胜出，去选择下面要执行的那一个程序；
2.Unix中系统调度问题
- 将nice值映射到时间片的话，就必须将nice值对应到处理器的绝对时间；这样会导致进程切换无法最优进行；
- 如果使用相对nice值，所带来的效果将会极大取决于其nice的初始值；
- 如果执行nice值到时间片的映射，时间片极大受制于定时器。
3.公平调度
- CFS基于一个简单的理念：进程调度的效果应当如同系统具备一个理想中的完美任务处理器。CFS的做法如下：
- 允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程；
- nice值作为进程获得的处理器运行比的权重（而不是完全由nice决定时间片）；
- 每个进程都按照其权重在全部的可运行进程中所占的比例对应的“时间片”来运行
【所谓“鱼与熊掌不可得兼”即如此——越小的调度周期就会表现出越好的交互性，也更接近于“同时完成多任务”这一孜孜追求的目标；然而系统必须承受更高的切换代价和更差的系统吞吐量——甚至将绝大多数精力耗费在这种来回倒腾上】
四、Linux调度的实现
1.时间记账
- 所有的调度器都必须对进程的运行时间做记账；
- CFS使用调度器实体结构来追踪运行记账
2.虚拟实时
- vrntime变量【也就是在上面所说的实体结构中】存放虚拟运行时间。虚拟时间以ns为单位，和节拍定时器无关；
- update_curr()函数实现了记账功能；计算了当前进程的执行时间并将其存放在data_exec中；然后将运行时间传递给了_update_curr()，由后者再根据当前可运行进程总数对运行时间进行计算，最终确定上述的权重值与当前运行进程的vrntime。
3.进程选择
- CFS算法核心：选择具有最小vrntime的任务
- 具体做法：利用红黑树rbtree（以节点形式存储数据的二叉树）
- 举例：
- 选择下一个任务：从根节点中序遍历二叉树，一直到叶子节点（也就是vrntime最小的进程）；
- 向树中加入进程：在进程变为可执行状态或者通过fork()调用第一次创建进程；
- 从树中删除进程：发生在进程阻塞或者终止的时候
【由此我们可以看到，二叉树中存储的全部是可执行进程】
4.进程调度入口
- 进程调度的主要入口点是函数schedule()，定义在kernel/sched.c中；这正是内和其他部分用于调度进程调度器的入口
- 这一函数最重要的工作就是调用pick_next_state()，依次检查每一个调度类，并从最高优先级的调度类中，选择最高优先级进程
5.睡眠和唤醒
- 进程休眠一定是为了等待一些事件
- 进程把自己标记成休眠状态，从可执行红黑树中移除；
- 放入等待队列——由等待某些时间发生的进程组成的链表，内核用wake_queue_head_t来代表等待队列
- 唤醒操作由函数wake_up()进行
- 它会调用函数try_to _wake_up()将进程设置为TASK_RUNNING状态，调用enqueue_task()将进程放入红黑树中
- 当然，也存在虚假唤醒进程的状态
五、抢占和上下文切换
1.上下文切换由定义在kernel/sched.c中的context_switch()函数负责，每当一个新的进程被选出来准备运行的时候，schedule()就会调用该函数：
- 调用switch_mm()，负责把虚拟内存从上一个进程映射切换到新的进程中；
- 调用switch_to()，负责从上一个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态
2.Linux系统支持内核抢占
- 只要没有锁，内核就可以进程抢占；
- 为了支持抢占，每个进程的thread_info都加入了preempt_count计数器（初值为0，每当使用锁的时候就加1，释放锁的时候数值减1），当数值为0的时候，内核就可以抢占
- 内核抢占发生在：
- 中断处理程序正在执行且返回内核空间之前；
- 内核代码再一次具有可抢占性的时候；
- 内核中的任务显式地调用schedule函数