深入探讨Linux的进程调度器

      Linux操作系统作为一个开源且广泛应用的操作系统，其内核设计包含了许多核心功能，而进程调度器（Scheduler）就是其中一个至关重要的模块。进程调度器负责决定在任何给定的时刻哪个进程可以运行，以及其运行的顺序。这篇文章将详细探讨Linux进程调度器的工作原理、主要算法、调度策略以及其在实际操作中的应用。

     进程调度是指操作系统决定在多道程序环境下如何分配CPU时间给多个进程或线程的过程。在一个现代操作系统中，通常有多个进程或线程需要执行，但是CPU的核心数量有限，因此需要通过调度来合理分配这些有限的计算资源。Linux进程调度的目标包括以下几个方面：

   响应时间：保证交互式进程有良好的响应时间。
   吞吐量：尽可能多地完成任务，提高系统的整体吞吐量。
   公平性：确保所有进程都有机会获得CPU时间，避免饥饿现象。
   实时性：对于实时系统，调度器应能确保实时任务在其时间约束内完成。

     为达到以上目标，Linux按照调度的优先级，分别实现了DEADLINE调度策略、实时（RT）调度策略、完全公平调度策略等。
 

图1 Linux调度策略的优先次序

 如图1所示[1]，Linux在调度过程中首先尝试在最高级别的策略模块中寻找调度实体（即进程），如果没找到，则到下一级的策略模块中寻找，如果都没找到，则进入idle状态。例如，Linux内核如果在DEADLINE策略模块中找到了调度实体，就会在处理器上调度运行该实体，而不会继续到RT调度策略模块中寻找。接下来分节介绍Linux中最常用的DEADLINE、RT以及完全公平调度策略模块，又称调度器。

 DEADLINE调度器

     Linux内核中的DEADLINE调度器是一种实时调度策略，旨在满足具有严格时间要求的实时任务的需求。它在设计上结合了EDF（Earliest Deadline First）和CBS（Constant Bandwidth Server）两种经典的实时调度算法，为实时应用程序提供了更可靠和可预测的执行环境。

     Linux DEADLINE调度器是Linux内核自3.14版本以来引入的调度策略，其目的是为实时任务提供精确的时间控制和调度保证。DEADLINE调度器通过为每个任务分配三个关键参数——开始时间（Start Time）、截止时间（Deadline）和运行时间（Runtime），来确定任务的执行顺序和调度行为。

     调度器的目标是在任务的截止时间到达之前，完成所有具有时间约束的任务。如果任务没有在截止时间前完成，通常会被视为任务失败或延迟，这在硬实时系统中是不可接受的。

     DEADLINE调度器基于EDF（Earliest Deadline First）的思想，即在系统中，优先选择截止时间最早的任务执行。此外，结合CBS（Constant Bandwidth Server）机制，DEADLINE调度器还能控制任务的CPU时间消耗，防止任务因超出分配的时间片而影响系统的整体实时性能。

     Linux DEADLINE调度器的主要应用场景是硬实时系统，如工业控制系统、机器人控制、航空航天等领域，这些系统对任务的时间精度要求非常高，任务的延迟或未按时完成会导致严重的后果。通过DEADLINE调度器，系统可以确保任务在其指定的截止时间内完成。多媒体应用，如音频和视频流处理，要求任务以固定的周期执行，并在特定时间内完成，以保证输出的连续性和质量。DEADLINE调度器可以帮助这些任务获得所需的CPU时间，从而避免丢帧或音视频不同步的问题。以及高精度定时任务，如在金融交易系统、科学计算、医疗设备等场景中，高精度的定时任务非常重要。DEADLINE调度器能够确保这些任务按预定时间精确执行，满足系统的严格要求。

     DEADLINE调度器的缺点是相比于普通调度器，DEADLINE调度器的配置参数较多，需要用户对任务的时间需求有详细了解，这对应用开发者提出了更高的要求。另外，DEADLINE调度器需要系统有足够的资源来满足实时任务的要求，当任务过多或系统资源有限时，可能会出现任务调度失败的情况。最后，DEADLINE调度器缺乏弹性，在负载非常动态的系统中，DEADLINE调度器可能不如CFS等调度器灵活，因为它严格依赖于预先设定的时间参数。

 RT调度器

     RT调度器是Linux内核中专门为实时任务设计的调度器，它为那些对延迟敏感的任务提供了更高的调度优先级，以确保它们能够在预定时间内执行。Linux中主要有两种RT调度策略：SCHED_FIFO 和 SCHED_RR，它们都是基于优先级的调度策略，与普通调度策略相比，RT调度策略提供了更严格的时间保证。

     SCHED_FIFO（First In, First Out）：这是一个简单的实时调度策略，任务按优先级排序，优先级相同的任务按到达顺序执行。SCHED_FIFO任务一旦获得CPU资源，将持续运行，直到任务主动让出CPU或被更高优先级的任务抢占。没有时间片的概念，这意味着低优先级的任务可能会被高优先级任务“饿死”。

     SCHED_RR（Round-Robin）：SCHED_RR与SCHED_FIFO类似，但它在相同优先级的任务之间实现了时间片轮转。每个任务在获得CPU时会运行一个时间片（默认100ms），然后让位给同一优先级的下一个任务。这样可以防止同一优先级的任务发生饥饿现象。

     RT调度器具有严格的优先级控制，RT调度策略减少了调度延迟，保证了任务在规定时间内获得CPU资源。在需要高可靠性和时间精度的场景中，RT调度器提供了比普通调度器更高的稳定性和可预测性。

     RT调度器的缺点是高优先级的RT任务可能长期占用CPU，导致低优先级任务得不到执行，甚至可能导致系统不响应（例如，一个SCHED_FIFO任务如果没有主动释放CPU，系统将无法响应其他任务）。另外RT调度器配置复杂，配置复杂：合理配置RT调度器的优先级和时间片需要深入了解任务的时间需求，配置不当可能导致系统不稳定或性能下降。RT调度器对资源的占用较为刚性，在动态负载环境下可能表现不佳。

完全公平调度器

     Linux内核的完全公平调度器（Completely Fair Scheduler, CFS）是目前Linux系统中默认的进程调度器，它旨在提供一个公平、可扩展且高效的调度机制。CFS调度器的设计理念是尽量公平地分配CPU时间，使得每个任务都能获得与其优先级相符的CPU时间份额。

     在CFS中，公平的概念体现在所有任务都应该在相同优先级的情况下，获得相等的CPU时间份额。CFS通过维护每个任务的“虚拟运行时间”来实现这一点。任务的虚拟运行时间越少，意味着它获得的CPU时间越少，因此CFS会优先调度虚拟运行时间较少的任务，以实现CPU时间的公平分配。

     CFS使用红黑树（Red-Black Tree）数据结构来管理所有可运行的任务。红黑树是一种自平衡二叉搜索树，能够在O(log N)时间内插入、删除和查找元素。CFS将所有任务按其虚拟运行时间排序存储在红黑树中，每次调度时，选择树中最左边（虚拟运行时间最少）的任务来运行。

           最后，CFS调度器与cgroups（Control Groups）紧密结合，允许管理员对任务组设置CPU资源的配额。通过cgroups，系统管理员可以将进程划分为不同的组，并为每个组分配CPU时间份额，从而实现更精细的资源控制。
 

图2 Linux完全公平调度策略与Cgroup的进程组的结合

    如图2所示，与Cgroup结合后，Linux完全公平调度的实体，按照调度任务组形成了一个树状结构。在进行调度实体选择时，调度器首先从树的根结点（与处理器直接对应的调度组），逐层选取最佳调度实体，一直到叶子结点（与具体进程对应）。

望获自适应调度器

     最后简单介绍一下，国科环宇在研的望获自适应调度器。该调度器针对Linux实时调度器配置和运行不够灵活的缺点，对进程的行为进行在线分析，并利用机器学习的方法对进程的调度进行配置，以做到实时性和灵活性的兼顾。

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参考文献

[1] Digging into the Linux scheduler

http:// https://deepdives.medium.com/digging-into-linux-scheduler-47a32ad5a0a8

审核编辑 黄宇