一、前言
今天給大家上點(diǎn)硬貨，關(guān)于linux的進(jìn)程管理和調(diào)度是學(xué)習(xí)和理解Linux的必學(xué)知識(shí)。為協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程 "同時(shí)" 運(yùn)行，現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常使用進(jìn)程優(yōu)先級(jí)這一基本手段。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)與之相關(guān)的優(yōu)先級(jí)，如果有多個(gè)可執(zhí)行的進(jìn)程等待CPU資源，那么具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程將優(yōu)先被調(diào)度執(zhí)行。今天就給大家講解一下Linux內(nèi)核中的進(jìn)程管理和調(diào)度，文章內(nèi)容較長(zhǎng)，大家記得先贊后看。
二、進(jìn)程管理和多進(jìn)程調(diào)度
2.1 進(jìn)程標(biāo)識(shí)符和控制塊
進(jìn)程標(biāo)識(shí)符是一個(gè)唯一的數(shù)字，表示每個(gè)運(yùn)行的進(jìn)程。在Linux中，進(jìn)程ID（PID）通常從1開始自增。在系統(tǒng)中，內(nèi)核會(huì)為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫做進(jìn)程控制塊（PCB），也稱作進(jìn)程描述符。PCB存儲(chǔ)了所有與進(jìn)程有關(guān)的信息，包括進(jìn)程的狀態(tài)、PID、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、頁表和資源使用情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等等。
2.2 進(jìn)程狀態(tài)和轉(zhuǎn)換
在Linux中，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，它可以處于就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、阻塞態(tài)或者僵死態(tài)。其中:
- 就緒態(tài)：指一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好被分配CPU并開始執(zhí)行了。
- 運(yùn)行態(tài)：指正在占用CPU資源的當(dāng)前進(jìn)程。
- 阻塞態(tài)：指因?yàn)槟承┰蚨粧炱稹o法占用CPU資源的進(jìn)程。
- 僵尸態(tài)：指此進(jìn)程已結(jié)束，但是其父進(jìn)程還未回收該進(jìn)程的資源。
進(jìn)程狀態(tài)之間經(jīng)常會(huì)發(fā)生改變。例如一個(gè)從阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)的進(jìn)程，需要一個(gè)事件去釋放阻塞，在這個(gè)時(shí)候進(jìn)程的狀態(tài)就會(huì)隨之改變。
2.3 進(jìn)程間通信
不同進(jìn)程間需要進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)共享，因此Linux中提供了多種進(jìn)程間通信機(jī)制，如管道（pipe）、消息隊(duì)列、信號(hào)量、共享內(nèi)存等。這些機(jī)制可以讓進(jìn)程安全地交換數(shù)據(jù)，并通過各種同步方式來協(xié)調(diào)不同進(jìn)程的行為。
在Linux系統(tǒng)中，通過管道實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信時(shí)，發(fā)送者進(jìn)程將數(shù)據(jù)放入管道緩沖區(qū)，接收者進(jìn)程從該緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。消息隊(duì)列是一個(gè)消息賴容器，發(fā)送進(jìn)程可以將數(shù)據(jù)放入容器中，并設(shè)置一個(gè)特定的類型，接收者進(jìn)程則根據(jù)類型從容器中獲取數(shù)據(jù)。共享內(nèi)存允許不同的進(jìn)程訪問同一塊物理內(nèi)存，從而方便進(jìn)程間共享數(shù)據(jù)。
三、單處理器下的Linux進(jìn)程調(diào)度
3.1 Linux進(jìn)程調(diào)度器
在Linux內(nèi)核中，進(jìn)程調(diào)度器（Scheduling Class）是負(fù)責(zé)選擇下一個(gè)要被執(zhí)行的進(jìn)程的模塊。Linux 2.6 內(nèi)核中提供了 CFS（Completely Fair Scheduler）作為默認(rèn)的進(jìn)程調(diào)度算法。該算法將CPU公平地分配給所有“可運(yùn)行”或者“準(zhǔn)備運(yùn)行”的進(jìn)程。這意味著即使有一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程，其他進(jìn)程仍然可以獲得足夠的機(jī)會(huì)使用CPU。
3.2 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法
時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（Round Robin Scheduling）又稱為循環(huán)賽制調(diào)度算法，是一種基于時(shí)間片的調(diào)度方法。在該算法中，操作系統(tǒng)將每個(gè)待執(zhí)行的進(jìn)程排列成一個(gè)隊(duì)列，每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)固定大小的時(shí)間片，在時(shí)間片用完后，就將該進(jìn)程放到隊(duì)列的末尾，等待下一次調(diào)度。
輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，能夠保證所有進(jìn)程都有機(jī)會(huì)被調(diào)度執(zhí)行。但是由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的速度越來越快，時(shí)間片可能變得過小，導(dǎo)致過多的進(jìn)程切換，影響CPU性能。
3.3 最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法
在最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法（Shortest Remaining Time First）中，調(diào)度器會(huì)根據(jù)每個(gè)進(jìn)程所需要的CPU運(yùn)行時(shí)間來決定下一個(gè)調(diào)度哪個(gè)進(jìn)程。如果當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程所需的時(shí)間比另一個(gè)就緒進(jìn)程所需的時(shí)間更長(zhǎng)，則搶占當(dāng)前進(jìn)程并將執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)交給新進(jìn)程。
這種方法可以確保每個(gè)進(jìn)程都獲得它所需的運(yùn)行時(shí)間，但當(dāng)有很多短進(jìn)程時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的進(jìn)程可能會(huì)被明顯忽略。即使使用這樣的調(diào)度算法，也無法消除“饑餓”現(xiàn)象。具體而言，某些進(jìn)程可能永遠(yuǎn)不會(huì)獲得足夠的CPU時(shí)間，在最壞情況下甚至可能對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響。
3.4 其他調(diào)度算法的不足
時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 和 最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法的問題在于，它們都無法保證公平性，因此可能導(dǎo)致某些進(jìn)程處于饑餓或拖延狀態(tài)。此外，這些算法通常都是為單處理器設(shè)計(jì)的，無法充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的多核和多線程特性。看起來這兩個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，并且相互補(bǔ)充。因此，Linux進(jìn)程管理和多進(jìn)程調(diào)度需要其他更具有適應(yīng)性的算法，比如可以基于線程數(shù)量或者負(fù)載平衡調(diào)度策略等。
四、多處理器下的Linux進(jìn)程調(diào)度
4.1 對(duì)稱多處理架構(gòu)下的負(fù)載均衡
在對(duì)稱多處理架構(gòu)（Symmetric Multi-Processor, SMP）中，所有處理器都是相等的，每個(gè)處理器都可以訪問共享內(nèi)存。在這種架構(gòu)下，Linux內(nèi)核通常使用負(fù)載均衡算法來平衡多個(gè)處理器的工作量，以提高系統(tǒng)效率。例如，在CFS算法中，Linux內(nèi)核使用紅黑樹來維護(hù)等待執(zhí)行的進(jìn)程隊(duì)列，并通過最小化整個(gè)系統(tǒng)的最小負(fù)載差異來保持負(fù)載均衡。
4.2 非對(duì)稱多處理架構(gòu)下的優(yōu)化
在非對(duì)稱多處理架構(gòu)（Asymmetric Multi-Processor, AMP）中，處理器通常被分配到不同的任務(wù)上，因此無法直接訪問共享內(nèi)存。在這種情況下，為了發(fā)揮系統(tǒng)的最大性能，需要考慮在多個(gè)處理器之間更好地分配任務(wù)。
一種通用的方法是使用“領(lǐng)導(dǎo)者”或“主節(jié)點(diǎn)”來協(xié)調(diào)各個(gè)處理器的任務(wù)。主節(jié)點(diǎn)將任務(wù)分配給每個(gè)處理器，并監(jiān)視它們的運(yùn)行情況。如果某個(gè)處理器出現(xiàn)故障或變得過于繁忙，則主節(jié)點(diǎn)會(huì)重新分配任務(wù)，從而保持系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。
4.3 多隊(duì)列調(diào)度算法
多隊(duì)列調(diào)度算法是一種可用于多處理器系統(tǒng)的調(diào)度算法。它通過將每個(gè)處理器分配給一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)最大化利用多處理器系統(tǒng)資源。在多隊(duì)列調(diào)度算法中，調(diào)度器把任務(wù)動(dòng)態(tài)地分發(fā)到這些運(yùn)行隊(duì)列中，并執(zhí)行所需操作。這種算法能夠減少不同進(jìn)程共享處理器核心導(dǎo)致出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)情況，在滿足負(fù)載均衡的同時(shí)，還能夠保持高效性和公平性。
需要指出的是，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常都有多個(gè)CPU核心，因此多處理器下的Linux進(jìn)程調(diào)度和管理仍然是一個(gè)廣泛和活躍的領(lǐng)域，研究人員一直在探索不同的技術(shù)和算法，以解決新問題并提升系統(tǒng)性能。
五、CFS完全公平調(diào)度
5.1 CFS設(shè)計(jì)思路和原理
CFS（Completely Fair Scheduler）是Linux內(nèi)核默認(rèn)的進(jìn)程調(diào)度算法，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“完全公平”的調(diào)度。CFS達(dá)成該目標(biāo)的方式是為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)虛擬運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)進(jìn)程所請(qǐng)求的cpu的份額對(duì)其進(jìn)行調(diào)度。如果某個(gè)進(jìn)程正在占用的CPU時(shí)鐘比其他進(jìn)程少，則CFS會(huì)將其優(yōu)先級(jí)提高以確保其能及時(shí)獲得更多的CPU時(shí)間。相反，如果進(jìn)程正在使用的CPU時(shí)鐘超過其所請(qǐng)求的份額，則其優(yōu)先級(jí)將降低，從而騰出CPU并讓其他等待調(diào)度的進(jìn)程有機(jī)會(huì)獲得CPU執(zhí)行權(quán)。
在CFS中，進(jìn)程排成一個(gè)紅黑樹并且被稱作“基于各自累計(jì)運(yùn)行時(shí)間”排隊(duì)。一個(gè)較短累積運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)程在隊(duì)列中的優(yōu)先級(jí)高于一個(gè)累積運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程。計(jì)算紅黑樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度需要經(jīng)過復(fù)雜的樹重新統(tǒng)計(jì)。
5.2 CFS特性和表現(xiàn)優(yōu)劣
CFS具有以下主要特征：
- 完全公平：CFS試圖讓所有進(jìn)程都能夠獲得盡可能相等的CPU時(shí)間。
- 延遲敏感型：CFS通過控制時(shí)間分配來保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性，從而延遲敏感的應(yīng)用程序可以獲得穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間。
- 可擴(kuò)展性好：CFS易于擴(kuò)展到多核處理器和大規(guī)模系統(tǒng)中。
- 不會(huì)產(chǎn)生饑餓：CFS為每個(gè)進(jìn)程預(yù)先計(jì)算了所需的時(shí)間片，以確保所有進(jìn)程都獲得合適的執(zhí)行時(shí)間。
然而，CFS也有一些局限性。由于CFS采用基于紅黑樹的動(dòng)態(tài)公平調(diào)度策略，因此每次遍歷紅黑樹時(shí)都需要進(jìn)行耗時(shí)的計(jì)算，這可能會(huì)降低系統(tǒng)性能和響應(yīng)能力。另外，CFS不能完全消除CPU資源控制不當(dāng)或CPU使用過高等問題。
5.3 CFS結(jié)合調(diào)試分析工具的使用技巧
在實(shí)際使用CFS時(shí)，還需要結(jié)合相關(guān)調(diào)試分析工具來優(yōu)化性能并解決問題。例如，通過top命令可以檢查當(dāng)前系統(tǒng)中的進(jìn)程數(shù)量、CPU占用率以及內(nèi)存使用情況，如下圖所示：
另一種有用的調(diào)試工具是schedstat，它會(huì)顯示CFS調(diào)度器的統(tǒng)計(jì)值。通過這些顯示項(xiàng)，可以了解每個(gè)進(jìn)程在系統(tǒng)中消耗的時(shí)間和資源情況。最后需要注意的是，CFS雖然是Linux內(nèi)核默認(rèn)的進(jìn)程調(diào)度算法之一，但只適用于 Linux 2.6 及更高版本，其他操作系統(tǒng)或版本可能不支持該算法。
