linux内核调度算法

 

linux内核调度算法

 

linux内核调度算法（1）--快速找到最高优先级进程

为什么要了解内核的调度策略呢？呵呵，因为它值得我们学习，不算是废话吧。内核调度程序很先进很强大，管理你的LINUX上跑的大量的乱七八糟的进程，同时还保持着对用户操作的高灵敏响应，如果可能，为什么不把这种思想放到自己的应用程序里呢？或者，有没有可能更好的实现自己的应用，使得操作系统能够以自己的意志来分配资源给自己的进程？

带着这两个问题来看看KERNEL。首先回顾上我们开发应用程序，基本上就两种类型，1、IO消耗型：比如hadoop上的trunk服务，很明显它的消耗主要在IO上，包括网络IO磁盘IO等等。2、CPU消耗型，比如mapreduce或者其他的需要对大量数据进行计算处理的组件，就象对高清视频压缩成适合手机观看分辨率的进程，他们的消耗主要在CPU上。当两类进程都在一台SERVER上运行时，操作系统会如何调度它们呢？现在的服务器都是SMP多核的，那么一个进程在多CPU时会来回切换吗？如果我有一个程序，既有IO消耗又有CPU消耗，怎么让多核更好的调度我的程序呢？

又多了几个问题。来看看内核调度程序吧，我们先从它的优先队列谈起吧。调度程序代码就在内核源码的kernel/sched.c的schedule函数中。

首先看下面的优先级队列，每一个runqueue都有。runqueue是什么？下面会详细说下，现在大家可以理解为，内核为每一颗CPU分配了一个runqueue，用于维护这颗CPU可以运行的进程。runqueue里，有几个成员是prio_array类型，这个东东就是优先队列，先看看它的定义：

[cpp] view plaincopyprint?struct prio_array {

    unsigned int nr_active; 表示等待执行的进程总数

    unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE]; 一个unsigned long在内核中只有32位哈，大家要跟64位OS上的C程序中的long区分开，那个是64位的。那么这个bitmap是干什么的呢？它是用位的方式，表示某个优先级上有没有待处理的队列，是实现快速找到最高待处理优先进程的关键。如果我定义了四种优先级，我只需要四位就能表示某个优先级上有没有进程要运行，例如优先级是2和3上有进程，那么就应该是0110.......非常省空间，效率也快，不是吗？

    struct list_head queue[MAX_PRIO]; 与上面的bitmap是对应的，它存储所有等待运行的进程。

};

struct prio_array {

    unsigned int nr_active; 表示等待执行的进程总数

    unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE]; 一个unsigned long在内核中只有32位哈，大家要跟64位OS上的C程序中的long区分开，那个是64位的。那么这个bitmap是干什么的呢？它是用位的方式，表示某个优先级上有没有待处理的队列，是实现快速找到最高待处理优先进程的关键。如果我定义了四种优先级，我只需要四位就能表示某个优先级上有没有进程要运行，例如优先级是2和3上有进程，那么就应该是0110.......非常省空间，效率也快，不是吗？

    struct list_head queue[MAX_PRIO]; 与上面的bitmap是对应的，它存储所有等待运行的进程。

};

看看BITMAP_SIZE是怎么算出来的：#define BITMAP_SIZE ((((MAX_PRIO+1+7)/8)+sizeof(long)-1)/sizeof(long))

那么，LINUX默认配置（如果你用默认选项编译内核的话）MAX_PRIO是140，就是说一共内核对进程一共定义了140种优先级。等待某个CPU来处理的进程中，可能包含许多种优先级的进程，但，LINUX是个抢占式调度算法的操作系统，就是说，需要调度时一定是找到最高优先级的进程执行。上面的BITMAP_SIZE值根据MAX_PRIO算出来为5，那么bitmap实际是32*5=160位，这样就包含了MAX_PRIO的140位。优先级队列是怎么使用的？看2649行代码：idx = sched_find_first_bit(array->bitmap);这个方法就用来快速的找到优先级最高的队列。看看它的实现可以方便我们理解这个优先级位的设计：

static inline int sched_find_first_bit(unsigned long *b)

{

    if (unlikely(b[0]))

    return __ffs(b[0]);

    if (unlikely(b[1]))

    return __ffs(b[1]) + 32;

    if (unlikely(b[2]))

    return __ffs(b[2]) + 64;

    if (b[3])

    return __ffs(b[3]) + 96;

    return __ffs(b[4]) + 128;

}

//采用折半的思想查找某一位为一。非常高效的方法。
static inline int __ffs(int x)

{

    int r = 0;

    if (!x)

    return 0;

    //先取低16位，判断是否有1.
    //如果有1，往下走。
    //如果没有1，右移16位
    if (!(x & 0xffff)) {

        x >>= 16;

        r += 16;

    }

    if (!(x & 0xff)) {

        x >>= 8;

        r += 8;

    }

    if (!(x & 0xf)) {

        x >>= 4;

        r += 4;

    }

    if (!(x & 3)) {

        x >>= 2;

        r += 2;

    }

    if (!(x & 1)) {

        x >>= 1;

        r += 1;

    }

    return r;

}

sched_find_first_bit返回值就是最高优先级所在队列的序号，与queue是对应使用的哈，queue = array->queue + idx;这样就取到了要处理的进程队列。这个设计在查找优先级时是非常快的，非常值得我们学习。