进程调度:我太难了!

发表于 1年以前  | 总阅读数:313 次

1、任务切换

现在有一块CPU,但是有两个程序都想来执行,我们需要开发一个任务调度程序。

只有两个程序,so easy啦!让它们交替执行就行了。

为了实现切换,我们提供一个API,这两个程序执行一会儿就主动调用一下这个API,然后在这个API内部实现任务的切换。

所谓的切换,其实就是把当前进程的上下文(也就是CPU一堆的寄存器值)保存到进程的TCB(进程控制块,每个进程对应的内存数据结构)里。然后把另一个进程TCB里的上下文寄存器的值装载起来,开始运行。

这是一种主动配合式的调度。

2、抢占

然而,理想很美好,现实很骨感。

这些个程序可能不是那么听话,可能很久都不调用我们的API交出CPU,甚至可能搞了个死循环,另一个程序永远也没机会执行。

看来:不能依赖程序主动交出执行权,调度程序需要有**抢占CPU的能力!**

怎么抢占呢?

我们可以利用时钟中断

因为一旦有中断事件到来,CPU就得去执行中断处理程序。只要在时钟中断的处理函数里面加入调度入口,就能抢到CPU的执行权。

为了公平起见,我们决定让每个进程都执行一小段时间,我们把这个叫做时间片,比如100ms,然后轮流执行它们就可以了,差不多是这个样子:

我们给CPU编程,让它每1ms发送一次时钟中断。在每个时钟中断到来时,检查当前的线程运行时间是否足够100ms,如果没有就将当前线程运行的时间+1ms,然后中断处理结束,让它继续运行。

如果检查发现时间已经到了100ms,就切换另一个进程来运行。

100ms对于人类几乎感知不到,所以还以为两个线程是在同时运行。

一个最最最简单的任务调度程序就完成了。

3、阻塞

渐渐地,进程多了起来,3个、4个、5个···

我们用一个队列把它们存起来,先进先出,就叫做就绪队列吧,意思是准备要排队执行的队列。

所有就绪的进程,依次排队被我们的调度程序翻牌子执行。

没过多久,我们发现有些进程经常占着茅坑不xx,在sleep或者等待锁的时候,白白霸占着CPU空转,搞得队列里其他进程怨声载道。

那咱们对调度程序再做一个优化吧:当有进程等待锁、I/O等待或者sleep的时候,调度程序也需要介入,即使分配给它的时间片还没用完,也要让它主动交出CPU,并把它放到另一个等待队列里去,等到等待的条件满足的时候,再把它请回到就绪队列排队。

现在,我们的调度程序不再允许有占着CPU却摸鱼的现象发生。

4、优先级

后来,进程进一步多了起来,6个、7个、···、100个。

每一个进程都执行100ms,转一圈下来就是10000ms=10s。

一个打字程序,按了键盘10s钟之后才反应过来,这系统卡的一匹,简直没法用。

我们可以把每个进程执行的时间缩短为10ms,转一圈下来变成了1000ms=1s,情况好了很多,但还是有点卡。

而且这一招架不住进程越来越多,200个,300个,甚至更多,转一圈的时间还是在变长。

但又不好继续压缩时间,否则就花太多时间在切换上了,真正执行的时间变少。

归根结底,问题在于进程多了以后,再按照顺序轮转不合时宜了。

得让一些进程拥有VIP特权,能够优先执行。

要不这样吧,给每个进程设定一个优先级,从1到40,总共40个优先级,数字越大,优先级越高。

调度的时候,把队列遍历一圈,找出里面优先级最高的进程来执行。

现在,我们只需要给打字程序这样的交互式进程设定一个高优先级,再次按下键盘后,很快就能得到响应了。

5、O(1)复杂度

每次调度的时候都得去遍历所有的进程,这复杂度是O(N)。

进程少倒还不打紧,多了以后就有些恼火了,这效率太低了。

让所有进程一起排在一个大的队列里,不是一个明智的做法。

要不我们按照优先级拆分成不同的队列吧!每个优先级单独弄一个就绪队列,就是40个队列,分开排队,找起来效率更高。

调度的时候,按照优先级顺序,依次来看每一个队列是否有可以执行的进程,找到后就从队列里取出来执行,相同优先级队列里面的进程,轮流执行。

为了快速知道每一个优先级队列里面有没有进程,咱们再弄一个位图,40个bit,每一位表示一个优先级队列,如果是1就知道这个优先级的队列里有进程需要执行,为0就没有。

关于这个优先级队列,差不多可以这样定义:

struct priority_queue {
    int nr_active;                      // 所有队列的进程总数
    unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE];  // 位图
    struct list_head queue[MAX_PRIO];   // 队列数组
};

现在找起来可方便了,进程再多也没事,都可以在O(1)的时间复杂度里找到要调度的进程。

6、饿死问题

系统运行了一段时间,发现了一个重要的问题:由于高优先级进程的存在,低优先级的程序很难得到执行机会,容易被“饿死”。

除非高优先级的进程执行结束,或者在睡眠等待,否则只要它一直待在就绪队列里,其他进程就没有机会。

这可不行呀,虽然你优先级高,但总得给别人分口吃的吧。

看来进程执行完成之后,不能马上把它再放回原来的队列里去,得这一轮大家都执行过后才行。

不放回原队列,那放哪里去呢?

干脆再弄一个优先级队列,把它叫做expired队列,并把原来的优先级队列叫做active队列。

调度的时候,从active队列里提取进程。完成一次调度后就把它放到expired队列,等原来的队列里的进程都挨个执行完一圈,active队列就空了,它们都来到了这个expired队列,然后交换两个队列,从头再来。

嗯,为了避免内存拷贝。把active和expired定义成指针,到时候直接交换两个指针,更省事儿!

把原来的队列封装一下:

struct runqueue {
    struct priority_queue* active;
    struct priority_queue* expired;
    struct priority_queue array[2];
};

就这样,所有进程在两个队列中兜兜转转,现在低优先级的进程也有机会被执行到了,不会被饿死了。

7、优先级与时间片

到目前为止,虽然进程有优先级之分,但这只影响它们的调度顺序,而不影响它们执行的时间,所有的进程时间片依然是100ms。

现在,优先级高的程序提出了抗议:我执行的任务很重要,需要给我更长的CPU时间片!

于是,一个新的需求来了:不同优先级进程,运行的时间片需要有区别。

优先级高的,时间片得长一点;优先级低的,时间片得短一些。

这个需求倒也好办,我们以中间优先级20为基础,设定优先级为20的进程时间片是100ms,优先级每增加1级,时间片+5ms,每减少一级,时间片-5ms。

优先级 ---- 时间片
1       5ms
2       10ms
3       15ms
···     ···
18      90ms
19      95ms
20      100ms   # base
21      105ms
···     ···
39      195ms
40      200ms

现在,高优先级的进程不仅能够优先被执行,给它分配的运行时间也更多了。

上面的时间片分配算法还不算是完美,它有一个问题:

如果现在只有两个优先级为20和21的进程在运行,时间片分别是100ms和105ms,那么两个进程分别能获取到的CPU时间占比是100/(100+105)=48.7%和105/(100+105)=51.2%。

优先级增加1,CPU时间占比多了2.5%,看起来没什么问题。

现在如果换成只有两个优先级为1和2的进程在运行,时间片分别是5ms和10ms,那么两个进程分别能获取到的CPU时间占比是5/(5+10)=33.3%和10/(5+10)=66.7%。

优先级2只比优先级1的进程高了一级,获取的CPU时间占比就翻了一倍!

同样是优先级加1,这差距咋就这么大呢?

说好的公平呢?

8、公平调度:时间分配

现在,我们换个思路,不用绝对时间片,而用相对时间片。

比如设定我们的调度周期为100ms,这100ms让所有可以运行的进程来瓜分,100ms之后所有就绪的进程都被执行了一圈儿。

那么问题来了,如何让进程们来瓜分这100ms呢?

当然是按照优先级来分。

我们给不同优先级的进程设置不同的权重,优先级高的,权重值高,就多分一点儿,优先级越低的,权重值低,就少分一点儿。

那这个权重值设定为多少好呢?

别急,有人已经帮我们想好了,就是下面这个数组。

想知道为什么是这些数字而不是别的,是有讲究的,不过先不用管。

const int sched_prio_to_weight[40] = { 
 88761,     71755,     56483,     46273,     36291, 
 29154,     23254,     18705,     14949,     11916, 
 9548,      7620,      6100,      4904,      3906, 
 3121,      2501,      1991,      1586,      1277, 
 1024,      820,       655,       526,       423, 
 335,       272,       215,       172,       137, 
 110,       87,        70,        56,        45, 
 36,        29,        23,        18,        15, 
}; 

现在,各个进程按照自己优先级对应的权重,来从这100ms的调度周期里来分配时间。

不知道你发现没有,如果进程特别多,那可能分下来的时间就会很少。咱们还得设定一个最小值,不然一天天的净跑去调度切换了,真正执行的时间少了。

这个最小值,就是进程至少得运行这么久才能切换。

9、公平调度:进程选择

时间分配的问题解决了,还有一个问题:调度的时候,如何挑选下一个需要执行的进程呢?

前面我们按照权重来给大家分配了时间,但肯定有一些进程,因为I/O、锁、睡眠等原因没有把分配的时间用完,这一些进程应该得到补偿,一旦它们符合执行条件后,应该优先被执行。

主动放弃了CPU的进程,它们运行的时间肯定比分配的短。要不,按照进程运行的时间来排个序,挑选时间最短的进程来运行?

但是,不同进程优先级不一样,分配到的时间本来就有长短啊。

要是能够消除因为权重造成的时间分配长短不一问题就好了,就能用运行时间来排序了。

要不咱们再弄一个虚拟运行时间,把权重带来的影响再给修复回去?

比如优先级高的进程,分配的时间多,统计它的运行时间的时候,就让它流逝的慢一些。

而优先级低的进程,分配的时间少,统计它的运行时间的时候,就让它流逝的快一些。

这样所有进程在没有任何睡眠、等待、I/O的情况下,大家都是用完了自己的时间,消除权重后的虚拟时间都应该是一样一样的,都是整个调度周期的1/N!

这才叫公平嘛!

现在只需要把所有进程按照虚拟时间来排个序,排在前面的虚拟时间短,调度的时候就选择它来运行。

好主意,那用什么样的数据结构来组织管理进程呢?

数组?插入不方便。

链表?寻找插入位置的时候时间复杂度是O(N)。

用二叉搜索树貌似是个不错的方案。左节点虚拟时间比父节点和右节点的虚拟时间小,只要找到最左边的节点就是要调用的进程,时间复杂度是O(LogN)。

但二叉搜索树有个毛病,一个不小心就容易变成一棵“跛脚”的树,这时间复杂度就又上去了。

红黑树没有这个问题,它自带平衡性,要不就它吧!

根据虚拟时间来把所有待运行的进程组织成一棵红黑树,只要找到整棵树最左边的节点,就是要运行的进程。

不过为了更高效,树调整更新导致最左边节点发生变化的时候,把它给缓存起来,这样调度的时候就直接拿到这个缓存节点就好了。

完美!

总结

上面讲述的进程调度模型其实就是Linux中O(1)调度算法和CFS(完全公平调度算法)调度算法的雏形,为了便于理解,文中进行了一定程度的简化。包括但不限于:

  • 在实际的Linux中,进程优先级有140个,分为实时进程和非实时进程。
  • 在实际的Linux中,进程通过一个叫nice值(对其他进程的友好度,nice越大,越友好,越谦让,优先级越低)的东西映射到优先级,优先级数字越大,优先级反而越低。
  • 在实际的Linux中,进程的优先级分为静态和动态,是会随着运行而变化的,不是固定不变。
  • 在多核模式下,为了防止加锁带来的性能损失,每一个CPU核都有自己的调度队列。
  • 在实际的Linux中,参与调度的是线程,而不是进程。但在早期的Linux中,没有线程的概念,调度就是基于进程来进行,引入线程后,线程又称为轻量级进程。现在我们平时所说的进程和线程在语义上有所不同,这一点要注意区别。

看完了这篇文章,再去看Linux的调度算法,应该会轻松不少。

本文由哈喽比特于1年以前收录,如有侵权请联系我们。
文章来源:https://mp.weixin.qq.com/s/alKHJNWnCdjgn8EQi-6ALQ

 相关推荐

刘强东夫妇:“移民美国”传言被驳斥

京东创始人刘强东和其妻子章泽天最近成为了互联网舆论关注的焦点。有关他们“移民美国”和在美国购买豪宅的传言在互联网上广泛传播。然而,京东官方通过微博发言人发布的消息澄清了这些传言,称这些言论纯属虚假信息和蓄意捏造。

发布于:6月以前  |  808次阅读  |  详细内容 »

博主曝三大运营商,将集体采购百万台华为Mate60系列

日前,据博主“@超能数码君老周”爆料,国内三大运营商中国移动、中国电信和中国联通预计将集体采购百万台规模的华为Mate60系列手机。

发布于:6月以前  |  770次阅读  |  详细内容 »

ASML CEO警告:出口管制不是可行做法,不要“逼迫中国大陆创新”

据报道,荷兰半导体设备公司ASML正看到美国对华遏制政策的负面影响。阿斯麦(ASML)CEO彼得·温宁克在一档电视节目中分享了他对中国大陆问题以及该公司面临的出口管制和保护主义的看法。彼得曾在多个场合表达了他对出口管制以及中荷经济关系的担忧。

发布于:6月以前  |  756次阅读  |  详细内容 »

抖音中长视频App青桃更名抖音精选,字节再发力对抗B站

今年早些时候,抖音悄然上线了一款名为“青桃”的 App,Slogan 为“看见你的热爱”,根据应用介绍可知,“青桃”是一个属于年轻人的兴趣知识视频平台,由抖音官方出品的中长视频关联版本,整体风格有些类似B站。

发布于:6月以前  |  648次阅读  |  详细内容 »

威马CDO:中国每百户家庭仅17户有车

日前,威马汽车首席数据官梅松林转发了一份“世界各国地区拥车率排行榜”,同时,他发文表示:中国汽车普及率低于非洲国家尼日利亚,每百户家庭仅17户有车。意大利世界排名第一,每十户中九户有车。

发布于:6月以前  |  589次阅读  |  详细内容 »

研究发现维生素 C 等抗氧化剂会刺激癌症生长和转移

近日,一项新的研究发现,维生素 C 和 E 等抗氧化剂会激活一种机制,刺激癌症肿瘤中新血管的生长,帮助它们生长和扩散。

发布于:6月以前  |  449次阅读  |  详细内容 »

苹果据称正引入3D打印技术,用以生产智能手表的钢质底盘

据媒体援引消息人士报道,苹果公司正在测试使用3D打印技术来生产其智能手表的钢质底盘。消息传出后,3D系统一度大涨超10%,不过截至周三收盘,该股涨幅回落至2%以内。

发布于:6月以前  |  446次阅读  |  详细内容 »

千万级抖音网红秀才账号被封禁

9月2日,坐拥千万粉丝的网红主播“秀才”账号被封禁,在社交媒体平台上引发热议。平台相关负责人表示,“秀才”账号违反平台相关规定,已封禁。据知情人士透露,秀才近期被举报存在违法行为,这可能是他被封禁的部分原因。据悉,“秀才”年龄39岁,是安徽省亳州市蒙城县人,抖音网红,粉丝数量超1200万。他曾被称为“中老年...

发布于:6月以前  |  445次阅读  |  详细内容 »

亚马逊股东起诉公司和贝索斯,称其在购买卫星发射服务时忽视了 SpaceX

9月3日消息,亚马逊的一些股东,包括持有该公司股票的一家养老基金,日前对亚马逊、其创始人贝索斯和其董事会提起诉讼,指控他们在为 Project Kuiper 卫星星座项目购买发射服务时“违反了信义义务”。

发布于:6月以前  |  444次阅读  |  详细内容 »

苹果上线AppsbyApple网站,以推广自家应用程序

据消息,为推广自家应用,苹果现推出了一个名为“Apps by Apple”的网站,展示了苹果为旗下产品(如 iPhone、iPad、Apple Watch、Mac 和 Apple TV)开发的各种应用程序。

发布于:6月以前  |  442次阅读  |  详细内容 »

特斯拉美国降价引发投资者不满:“这是短期麻醉剂”

特斯拉本周在美国大幅下调Model S和X售价,引发了该公司一些最坚定支持者的不满。知名特斯拉多头、未来基金(Future Fund)管理合伙人加里·布莱克发帖称,降价是一种“短期麻醉剂”,会让潜在客户等待进一步降价。

发布于:6月以前  |  441次阅读  |  详细内容 »

光刻机巨头阿斯麦:拿到许可,继续对华出口

据外媒9月2日报道,荷兰半导体设备制造商阿斯麦称,尽管荷兰政府颁布的半导体设备出口管制新规9月正式生效,但该公司已获得在2023年底以前向中国运送受限制芯片制造机器的许可。

发布于:6月以前  |  437次阅读  |  详细内容 »

马斯克与库克首次隔空合作:为苹果提供卫星服务

近日,根据美国证券交易委员会的文件显示,苹果卫星服务提供商 Globalstar 近期向马斯克旗下的 SpaceX 支付 6400 万美元(约 4.65 亿元人民币)。用于在 2023-2025 年期间,发射卫星,进一步扩展苹果 iPhone 系列的 SOS 卫星服务。

发布于:6月以前  |  430次阅读  |  详细内容 »

𝕏(推特)调整隐私政策,可拿用户发布的信息训练 AI 模型

据报道,马斯克旗下社交平台𝕏(推特)日前调整了隐私政策,允许 𝕏 使用用户发布的信息来训练其人工智能(AI)模型。新的隐私政策将于 9 月 29 日生效。新政策规定,𝕏可能会使用所收集到的平台信息和公开可用的信息,来帮助训练 𝕏 的机器学习或人工智能模型。

发布于:6月以前  |  428次阅读  |  详细内容 »

荣耀CEO谈华为手机回归:替老同事们高兴,对行业也是好事

9月2日,荣耀CEO赵明在采访中谈及华为手机回归时表示,替老同事们高兴,觉得手机行业,由于华为的回归,让竞争充满了更多的可能性和更多的魅力,对行业来说也是件好事。

发布于:6月以前  |  423次阅读  |  详细内容 »

AI操控无人机能力超越人类冠军

《自然》30日发表的一篇论文报道了一个名为Swift的人工智能(AI)系统,该系统驾驶无人机的能力可在真实世界中一对一冠军赛里战胜人类对手。

发布于:6月以前  |  423次阅读  |  详细内容 »

AI生成的蘑菇科普书存在可致命错误

近日,非营利组织纽约真菌学会(NYMS)发出警告,表示亚马逊为代表的电商平台上,充斥着各种AI生成的蘑菇觅食科普书籍,其中存在诸多错误。

发布于:6月以前  |  420次阅读  |  详细内容 »

社交媒体平台𝕏计划收集用户生物识别数据与工作教育经历

社交媒体平台𝕏(原推特)新隐私政策提到:“在您同意的情况下,我们可能出于安全、安保和身份识别目的收集和使用您的生物识别信息。”

发布于:6月以前  |  411次阅读  |  详细内容 »

国产扫地机器人热销欧洲,国产割草机器人抢占欧洲草坪

2023年德国柏林消费电子展上,各大企业都带来了最新的理念和产品,而高端化、本土化的中国产品正在不断吸引欧洲等国际市场的目光。

发布于:6月以前  |  406次阅读  |  详细内容 »

罗永浩吐槽iPhone15和14不会有区别,除了序列号变了

罗永浩日前在直播中吐槽苹果即将推出的 iPhone 新品,具体内容为:“以我对我‘子公司’的了解,我认为 iPhone 15 跟 iPhone 14 不会有什么区别的,除了序(列)号变了,这个‘不要脸’的东西,这个‘臭厨子’。

发布于:6月以前  |  398次阅读  |  详细内容 »
 相关文章
Android插件化方案 5年以前  |  236810次阅读
vscode超好用的代码书签插件Bookmarks 1年以前  |  6656次阅读
 目录