Linux組調(diào)度是什么？Linux組調(diào)度原理圖你知道嗎？Linux組調(diào)度是如何實現(xiàn)的？

在介紹 組調(diào)度 前，我們先來重溫下什么是 進程調(diào)度。

　　本文基于 Linux-2.6.26 版本

　　什么是進程調(diào)度

　　一般來說，在操作系統(tǒng)中會運行多個進程（幾個到幾千個不等），但一臺計算機的 CPU 資源是有限的，如 8 核的 CPU 只能同時運行 8 個進程。那么當(dāng)進程數(shù)大于 CPU 核心數(shù)時，操作系統(tǒng)是如何同時運行這些進程的呢？

　　這里就涉及 進程調(diào)度 問題。

　　操作系統(tǒng)運行進程的時候，是按 時間片 來運行的。時間片 是指一段很短的時間段（如20毫秒），操作系統(tǒng)會為每個進程分配一些時間片。當(dāng)進程的時間片用完后，操作系統(tǒng)將會把當(dāng)前運行的進程切換出去，然后從進程隊列中選擇一個合適的進程運行，這就是所謂的 進程調(diào)度。如下圖所示：

　　什么是組調(diào)度

　　一般來說，操作系統(tǒng)調(diào)度的實體是 進程，也就是說按進程作為單位來調(diào)度。但如果按進程作為調(diào)度實體，就會出現(xiàn)以下情況：

　　Linux 是一個支持多用戶的操作系統(tǒng)，如果 A 用戶運行了 10 個進程，而 B 用戶只運行了 2 個進程，那么就會出現(xiàn) A 用戶使用的 CPU 時間是 B 用戶的 5 倍。如果 A 用戶和 B 用戶都是花同樣的錢來買的虛擬主機，那么對 B 用戶來說是非常不公平的。

　　為了解決這個問題，Linux 實現(xiàn)了 組調(diào)度 這個功能。那么什么是 組調(diào)度 呢？

　　組調(diào)度 的實質(zhì)是：調(diào)度時候不再以進程作為調(diào)度實體，而是以 進程組 作為調(diào)度實體。比如上面的例子，可以把 A 用戶運行的進程劃分為 進程組A，而 B 用戶運行的進程劃分為 進程組B。

　　調(diào)度的時候，進程組A 和 進程組B 分配到相同的可運行 時間片，如 進程組A 和 進程組B 各分配到 100 毫秒的可運行時間片。由于 進程組A 有 10 個進程，所以每個進程分配到的可運行時間片為 10 毫秒。而 進程組B 只有 2 個進程，所以每個進程分配到的可運行時間片為 50 毫秒。

　　下圖是 組調(diào)度 的原理：

　　如上圖所示，當(dāng)內(nèi)核進行調(diào)度時，首先以 進程組 作為調(diào)度實體。當(dāng)選擇出最優(yōu)的 進程組 后，再從 進程組 中選擇出最優(yōu)的進程進行運行，而被切換出來的進程將會放置回原來的 進程組。

　　由于 組調(diào)度 是建立在 cgroup 機制之上的，而 cgroup 又是基于 虛擬文件系統(tǒng)，所以 進程組 是以樹結(jié)構(gòu)存在的。也就是說，進程組 除了可以包含進程，還可以包含進程組。如下圖所示：

　　cgroup 相關(guān)的知識點可以參考文章：《cgroup介紹》 和 《cgroup實現(xiàn)原理》

　　Linux 在調(diào)度的時候，首先會根據(jù) 完全公平調(diào)度算法 從根進程組中篩選出一個最優(yōu)的進程或者進程組進行調(diào)度。

　　如果篩選出來的是進程，那么可以直接把當(dāng)前運行的進程切換到篩選出來的進程運行即可。

　　如果篩選出來的是進程組，那么就繼續(xù)根據(jù) 完全公平調(diào)度算法 從進程組中篩選出一個最優(yōu)的進程或者進程組進行調(diào)度（重復(fù)進行第一步操作），如此類推。

　　組調(diào)度實現(xiàn)

　　接下來，我們將介紹 組調(diào)度 是如何實現(xiàn)的。在分析之前，為了對 完全公平調(diào)度算法 有個大體了解，建議先看看這篇文章：《Linux完全公平調(diào)度算法 》。

　　1. 進程組

　　在 Linux 內(nèi)核中，使用 task_group 結(jié)構(gòu)表示一個進程組。其定義如下：

　　下面介紹一下 task_group 結(jié)構(gòu)各個字段的作用：

　　se：完全公平調(diào)度算法 是以 sched_entity 結(jié)構(gòu)作為調(diào)度實體（也就是說運行隊列中的元素都是 sched_entity 結(jié)構(gòu)），而 sched_entity 結(jié)構(gòu)既能代表一個進程，也能代表一個進程組。這個字段主要作用是，將進程組放置到運行隊列中進行調(diào)度。由于進程組中的進程可能會在不同的 CPU 上運行，所以這里為每個 CPU 分配一個 sched_entity 結(jié)構(gòu)。

　　cfs_rq：完全公平調(diào)度算法 的運行隊列。完全公平調(diào)度算法 在調(diào)度時是通過 cfs_rq 結(jié)構(gòu)完成的，cfs_rq 結(jié)構(gòu)使用一棵紅黑樹將需要調(diào)度的進程或者進程組組織起來，然后選擇最左端的節(jié)點作為要運行的進程或進程組，詳情可以參考文章：《Linux完全公平調(diào)度算法》。由于進程組可能在不同的 CPU 上調(diào)度，所以進程組也為每個 CPU 分配一個運行隊列。

　　shares：進程組的權(quán)重，用于計算當(dāng)前進程組的可運行時間片。

　　parent、siblings、children：用于將系統(tǒng)中所有的進程組組成一棵親屬關(guān)系樹。

　　task_group、sched_entity 和 cfs_rq 這三個結(jié)構(gòu)的關(guān)系如下圖所示：

　　從上圖可以看出，每個進程組都為每個 CPU 分配一個可運行隊列，可運行隊列中保存著可運行的進程和進程組。Linux 調(diào)度的時候，就是從上而下（從根進程組開始）地篩選出最優(yōu)的進程進行運行。

　　2. 調(diào)度過程

　　當(dāng) Linux 需要進行進程調(diào)度時，會調(diào)用 schedule() 函數(shù)來完成，其實現(xiàn)如下（經(jīng)精簡后）：

　　schedule() 函數(shù)會調(diào)用 pick_next_task() 函數(shù)來篩選最優(yōu)的可運行進程，我們來看看 pick_next_task() 函數(shù)的實現(xiàn)過程：

　　從 pick_next_task() 函數(shù)的實現(xiàn)來看，其最終會調(diào)用 完全公平調(diào)度算法 的 pick_next_task() 方法來完成篩選工作，我們來看看這個方法的實現(xiàn)：

　　我們來分析下 pick_next_task_fair() 函數(shù)到流程：

　　從根進程組中篩選出最優(yōu)的可運行實體（進程或進程組）。

　　如果篩選出來的實體是進程，那么直接返回這個進程。

　　如果篩選出來的實體是進程組，那么將會繼續(xù)對這個進程組中的可運行隊列進行篩選，直至篩選出一個可運行的進程。

　　怎么區(qū)分 sched_entity 實體是進程或者進程組？sched_entity 結(jié)構(gòu)中有個 my_q 的字段，當(dāng)這個字段設(shè)置為 NULL 時，說明這個實體是一個進程。如果這個字段指向一個可運行隊列時，說明這個實體是一個進程組。

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