调度器简介,以及Linux的调度策略

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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。但随着线程被赋予太少的任务,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,线程的生命都得到了操作系统内核的关照。就好像疲于照顾好多个孩子的母亲内核不都不还可不后能 做出决定,怎样才能在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。内核中安排线程执行的模块称为调度器(scheduler)。这里将介绍调度器的工作最好的法子。

线程清况

调度器都不还可不后能 切换线程清况 (process state)。一一一五个Linux线程从被创建到死亡,将会会经过某些种清况 ,比如执行、暂停、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出等。大伙 都不还可不后能 把Linux下繁多的线程清况 ,归纳为并算是基本清况 。

  • 就绪(Ready): 线程将会获得了CPU以外的所有必要资源,如线程空间、网络连接等。就绪清况 下的线程等到CPU,便可立即执行。
  • 执行(Running):线程获得CPU,执行线程。
  • 阻塞(Blocked):当线程将会等候某个事件而无法执行时,便放弃CPU,位于阻塞清况 。

 

图1 线程的基本清况

线程创建后,就自动变成了就绪清况 。将会内核把CPU时间分配给该线程,越来越线程就从就绪清况 变成了执行清况 。在执行清况 下,线程执行指令,最为活跃。正在执行的线程都不还可不后能 主动进入阻塞清况 ,比如这个线程不都不还可不后能 将一偏离 硬盘中的数据读取到内存中。在这段读取时间里,线程不需要都不还可不后能 使用CPU,都不还可不后能 主动进入阻塞清况 ,让出CPU。当读取结束英文英语 时,计算机硬件发出信号,线程再从阻塞清况 恢复为就绪清况 。线程也都不还可不后能 被迫进入阻塞清况 ,比如接收到SIGSTOP信号。

调度器是CPU时间的管理员。Linux调度器不都不还可不后能 负责做两件事:一件事是选择某些就绪的线程来执行;另一件事是打断某些执行中的线程,让它们变回就绪清况 。不过,并完整性都会所有的调度器完整性都会第五个功能。有的调度器的清况 切换是单向的,不都不还可不后能 让就绪线程变成执行清况 ,不都不还可不后能 把正在执行中的线程变回就绪清况 。支持双向清况 切换的调度器被称为抢占式(pre-emptive)调度器。

调度器在让一一一五个线程变回就绪时,就会立即让原本就绪的线程结束英文英语 执行。多个线程接替使用CPU,从而最大波特率地利用CPU时间。当然,将会执行中线程主动进入阻塞清况 ,越来越调度器也会选择原本就绪线程来消费CPU时间。所谓的上下文切换(context switch)就说 指线程在CPU中切换执行的过程。内核承担了上下文切换的任务,负责储存和重建线程被切换掉日后的CPU清况 ,从而让线程感觉不都不还可不后能 此人 的执行被中断。应用线程的开发者在编写计算机线程时,就不需要专门写代码解决上下文切换了。 

线程的优先级

调度器分配CPU时间的基本最好的法子,就说 线程的优先级。根据线程任务性质的不同,线程都不还可不后能 有不同的执行优先级。根据优先级特点,大伙 都不还可不后能 把线程分为并算是类别。

  • 实时线程(Real-Time Process):优先级高、不都不还可不后能 尽快被执行的线程。它们一定不都不还可不后能 被普通线程所阻挡,相似视频播放、各种监测系统。
  • 普通线程(Normal Process):优先级低、更长执行时间的线程。相似文本编译器、批解决一段文档、图形渲染。

普通线程根据行为的不同,还都不还可不后能 被分成互动线程(interactive process)和批解决线程(batch process)。互动线程的例子有图形界面,它们将会位于长时间的等候清况 ,相似等候用户的输入。一旦特定事件位于,互动线程不都不还可不后能 尽快被激活。一般来说,图形界面的反应时间是150到1150毫秒。批解决线程越来越与用户交互的,往往在后台被默默地执行。

实时线程由Linux操作系统创造,普通用户不都不还可不后能 创建普通线程。并算是线程的优先级不同,实时线程的优先级永远高于普通线程。线程的优先级是一一一五个0到139的整数。数字越小,优先级越高。其中,优先级0到99留给实时线程,1150到139留给普通线程。

一一一五个普通线程的默认优先级是120。大伙 都不还可不后能 用命令nice来修改一一一五个线程的默认优先级。相似有一一一五个可执行线程叫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线程,内核会将app线程的默认优先级设置成1150,也就说 普通线程的最高优先级。命令中的-20都不还可不后能 被加进去-20至19中任何一一一五个整数,包括-20 和 19。默认优先级将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线程的动态优先级:

动态优先级 = 静态优先级 – Bonus + 5

将会这个公式的计算结果小于1150或大于139,将会取1150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是一一一五个估计值,这个数字越大,代表着它将会越不都不还可不后能 被优先执行。将会内核发现这个线程不都不还可不后能 突然跟用户交互,将会把Bonus值设置成大于5的数字。将会线程不突然跟用户交互,内核将会把线程的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线程,等到一一一五个线程运行完了再运行优先级较低的一一一五个,但这个策略完整性无法发挥多任务系统的优势。有日后 ,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,来源于算法简化度的大O表示法。大O符号代表这个算法在最坏清况 下的简化度。字母n在这里代表操作系统中的活跃线程数量。O(n)表示这个调度器的时间简化度和活跃线程的数量成正比。

O(n)调度器把时间分成一定量的微小时间片(Epoch)。在每个时间片结束英文英语 的日后,调度器会检查所有位于就绪清况 的线程。调度器计算每个线程的优先级,有日后 选择优先级最高的线程来执行。一旦被调度器切换到执行,线程都不还可不后能 不被打扰地用尽这个时间片。将会线程越来越用尽时间片,越来越该时间片的剩余时间会增加到下一一一五个时间片中。

O(n)调度器在每次使用时间片前完整性都会检查所有就绪线程的优先级。这个检查时间和线程中线程数目n成正比,这也正是该调度器简化度为O(n)的原困 。当计算机所含一定量线程在运行时,这个调度器的性能将会被大大降低。也就说 说,O(n)调度器越来越很好的可拓展性。O(n)调度器是Linux 2.6日后使用的线程调度器。当Java语言逐渐流行后,将会Java虚拟将会创建一定量线程,调度器的性能大问题变得更加明显。

为了解决O(n)调度器的性能大问题,O(1)调度器被发明者者了出来,并从Linux 2.6内核结束英文英语 使用。顾名思义,O(1)调度器是指调度器每次选择要执行的线程的时间完整性都会一一一五个单位的常数,和系统中的线程数量无关。原本,就算系统所含一定量的线程,调度器的性能就说 会下降。O(1)调度器的创新之位于于,它会把线程按照优先级排好,放上去特定的数据形状中。在选择下一一一五个要执行的线程时,调度器不需要遍历线程,就都不还可不后能 直接选择优先级最高的线程。

和O(n)调度器相似,O(1)也是把时间片分配给线程。优先级为120以下的线程时间片为:

(140–priority)×20毫秒

优先级120及以上的线程时间片为:

(140–priority)×5 毫秒

O(1)调度器会用一一一五个队列来存放上去程。一一一五个队列称为活跃队列,用于存储哪些待分配时间片的线程。原本队列称为过期队列,用于存储哪些将会享用过时间片的线程。O(1)调度器把时间片从活跃队列中调出一一一五个线程。这个线程用尽时间片,就会转移到过期队列。当活跃队列的所有线程都被执行日后,调度器就会把活跃队列和过期队列对调,用同样的最好的法子继续执行哪些线程。

顶端的描述越来越考虑优先级。加入优先级后,清况 会变得简化某些。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的线程。一结束英文英语 ,所有线程都会放上去活跃队列中。有日后 操作系统会从优先级最高的活跃队列结束英文英语 依次选择线程来执行,将会一一一五个线程的优先级相同,大伙 有相同的概率被选中。执行一次后,这个线程会被从活跃队列中剔除。将会这个线程在这次时间片中越来越彻底完成,它会被加入优先级相同的过期队列中。当140个活跃队列的所有线程都被执行日后,过期队列中将会有某些线程。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(不都不还可不后能 替换)

大伙 下面看一一一五个例子,有五个线程,如表1所示。

表1 线程



Linux操作系统中的线程队列(run queue),如表2所示。

表2 线程队列

越来越在一一一五个执行周期,被选中的线程依次是先A,有日后 B和C,后来是D,最后是E。

注意,普通线程的执行策略并越来越保证优先级为1150的线程会先被执行完进入结束英文英语 清况 ,再执行优先级为101的线程,就说 在每个对调活跃和过期队列的周期中完整性都会将会被执行,这个设计是为了解决线程饥饿(starvation)。所谓的线程饥饿,就说 优先级低的线程后来都越来越将会被执行。

大伙 想看 ,O(1)调度器在选择下一一一五个要执行的线程时很简单,不需要都不还可不后能 遍历所有线程。有日后 它依然有某些缺点。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1150、110、120、1150和139这好多个线程的时间片长度,如表3所示。

表3 线程的时间片长度

从表格中给你发现,优先级为110和120的线程的时间片长度差距比120和1150之间的大了10倍。也就说 说,线程时间片长度的计算位于很大的随机性。O(1)调度器会根据平均休眠时间来调整线程优先级。该调度器假设哪些休眠时间长的线程是在等候用户互动。哪些互动类的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的调配就会突然总出 大问题。

完整性公平调度器

从1507年发布的Linux 2.6.23版本起,完整性公平调度器(CFS,Completely Fair Scheduler)取代了O(1)调度器。CFS调度器不对线程进行任何形式的估计和猜测。这个点和O(1)区分互动和非互动线程的做法完整性不同。

CFS调度器增加了一一一五个虚拟运行时(virtual runtime)的概念。每次一一一五个线程在CPU中被执行了一段时间,就会增加它虚拟运行时的记录。在每次选择要执行的线程时,完整性都会选择优先级最高的线程,就说 选择虚拟运行时离米 的线程。完整性公平调度器用并算是叫红黑树的数据形状取代了O(1)调度器的140个队列。红黑树都不还可不后能 高效地找到虚拟运行最小的线程。

大伙 先通过例子来看CFS调度器。有日后我我一台运行的计算机中原本拥有A、B、C、D五个线程。内核记录着每个线程的虚拟运行时,如表4所示。

表4 每个线程的虚拟运行时

系统增加一一一五个新的线程E。新创建线程的虚拟运行时不需要被设置成0,而会被设置成当前所有线程最小的虚拟运行时。这能保证该线程被较快地执行。在原本的线程中,最小虚拟运行时是线程A的1 000纳秒,有日后 E的初始虚拟运行都会被设置为1 000纳秒。新的线程列表如表5所示。

表5 新的线程列表

有日后我我调度器不都不还可不后能 选择下一一一五个执行的线程,线程A会被选中执行。线程A会执行一一一五个调度器决定的时间片。有日后我我线程A运行了2150纳秒,那它的虚拟运行时增加。而某些的线程越来越运行,某些虚拟运行时不变。在A消耗完时间片后,更新后的线程列表,如表6所示。

表6 更新后的线程列表

都不还可不后能 想看 ,线程A的排序下降到了第三位,下一一一五个将要被执行的线程是线程E。从本质上看,虚拟运行时代表了该线程将会消耗了好多个CPU时间。将会它消耗得少,越来越理应优先获得计算资源。

按照上述的基本设计理念,CFS调度器能让所有线程公平地使用CPU。听起来,这让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调度器会根据线程的优先级来计算一一一五个时间片因子。同样是增加2150纳秒的虚拟运行时,优先级低的线程实际获得的将会不都不还可不后能 150纳秒,而优先级高的线程实际获得将会有150纳秒。原本,优先级高的线程就获得了更多的计算资源。

以上就说 调度器的基本原理,以及Linux用过的几种调度策略。调度器都不还可不后能 更加合理地把CPU时间分配给线程。现代计算机完整性都会多任务系统,调度器在多任务系统中起着顶梁柱的作用。

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