Linux進程調度算法分析
摘要 ：基於X86平臺Linux2.6.26內核進程調度部分代碼，刨析Linux進程調度算法，對算法的原理，實現和複雜度進行了分析並提出了算法改進措施。
關鍵字：Linux內核 進程調度 算法
1. Linux進程調度概述
Linux系統支持用戶態進程和內核線程，需要說明的是，Linux沒有提供用戶態線程支持，實現用戶態線程需要引入第三方線程庫。
操作系統進程調度是整個操作系統理論的核心，在設計進程調動機制需要考慮的具體問題主要有：
1）調度的時機：在什麼情況下，什麼時候進行調度。
2）調度的“政策”（policy）：根據什麼準則挑選下一個進入運行的進程。
3）調度的方式：是“可剝奪”（preemptive）還是“不可剝奪”（nonpreemptive）。
圖1.2.1給出了Linux進程狀態轉換關係：
圖1 Linux進程狀態轉換圖
Linux進程調度分爲自願調度和強制調度兩種。1）在內核空間，一個進程可以通過schedule()啓動一次調度，也可以在調用schedule()之前，將本進程狀態設置爲TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE，暫時放棄運行而進入睡眠。這通常發生在來自用戶空間的系統調用被阻塞。在用戶空間，用戶進程可以通過系統調用nanosleep()達到目的。2）調度還可以是非自願的。在一定條件下，內核會強制性剝奪當前進程運行而調度其他進程進入運行。
Linux調度政策基礎是時間片輪轉+優先級搶佔的結合，爲了滿足不同應用的需要，內核提供了三種調度方法： 1）SCHED_FIFO實時調度策略，先到先服務2）SCHED_RR實時調度策略，時間片輪轉3）SCHED_NORMAL 分時調度策略（在2.6內核以前爲SCHED_OTHER）。用戶進程可以通過系統調用sched_setscheduler（）設定自己的調度策略。SCHED_FIFO和SCHED_RR的區別是，前者只有在就緒隊列中有優先級更高的進程，或進程被阻塞，或自願調用阻塞原語（如sleep_on_interruptible）的情況下，纔會放棄CPU，而如果調度策略是後者，當前進程與就緒隊列裏其他進程按Round Robin方式共享CPU。
2. Linux進程調度原理
基本的操作系統進程調度算法包括先來先服務（first come first serve），時間片輪轉（round robin），多級反饋輪轉法（round robin with multiple feedback），優先級法（靜態優先級法/動態優先級法），短作業優先法（shortest job first），最高響應比優先法（highest response_ratio next）。不同調度算法應用場合不同，某些調度算法可能僅具有研究價值，實際中鮮有應用；而某些調度算法需要互補以完成設計需求。但是，無論哪種進程調度算法，都要面對以下實際問題：
1）調度器對實時進程的響應；
2）調度器的調度開銷，以及系統進程負載對調度的影響；
3）在SMP環境下，當前CPU調度對其他CPU的影響；
Linux2.6.x內核進程調度算法爲解決上述問題，設計了全新的數據結構和調度算法，但其基本策路仍是以優先級爲基礎的搶佔式調度，與2.6以前內核版本不同，內核搶佔可能發生在內核態（因此，2.6版本的內核代碼必須考慮到重入問題）。
2.6版本的內核調度也是幾度變遷，其基本思想是1）提高實時進程調度相應比2）普通進程調度體現“完全公平這個思想”。從2.6早期版本SD（Staircase Schedule）調度器，到2.6.23版本的RSDL（The Rotating Staircase Deadline Schedule）調度器，再至2.6.26版本CFS（Complete Fair Schedule）調度器，調度機制不斷完善。2.6.26內核進程調度吸收了前期版本的精華，通過全新設計數據結構和算法，爲實時進程（SCHED_FIFO/SCHED_RR）提供O（1）時間複雜度的調度算法，同時，爲了兼顧“完全公平”這一設計思路，設計了CFS調度器，爲普通進程提供滿足公平性爲原則的O（lgn）時間複雜度的調度算法。因此，準確地說，2.6.23以後的版本進程調度是基於O（1）+ O（lgn）時間複雜度的調度。基於這兩部分的設計和Linux內核代碼實現將在本文給與介紹。
