Linux内核之进程调度

1.Linux进程调度策略

Linux调度基于分时复用技术，分时依赖于定时中断。调度策略是根据进程的优先级对他们进行分配，Linux中进程的优先级是动态的，调度程序跟踪程序在干什么，并周期性的调整他们的优先级。所谓“损有余而补不足”，Linux如果看哪个进程较长时间没有使用CPU了，会动态增加他们的优先级，对于已经在CPU上跑了较长时间的进程，会降低优先级以示惩罚。
调度分类通常分为两种：

• I/O受限（频繁使用I/O设备，花很多时间等待I/O操作完成），
• CPU受限（需要大量CPU时间的数值计算）

另一种分类分三种：

• 交互式进程（低延时）
• 批处理进程（后台运行）
• 实时进程（调度需要强，绝不被低优先级的进程阻塞）

2.Linux进程的抢占

使用抢占式内核可以保证系统响应时间。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的使用权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就会被剥夺，但被抢占的并没有被挂起，因为它还处于TASK_RUNNING状态，只不过这时高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，优先级高的那个任务开始运行。

• 抢占式内核的优点：•使用抢占式内核，最高优先级的任务什么时候可以执行，可以得到CPU的使用权是可知的。使用抢占式内核使得任务级响应时间得以最优化。
• 抢占式内核的缺点：不能直接使用不可重入型函数。调用不可重入函数时，要满足互斥条件，这点可以使用互斥型信号量来实现。如果调用不可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。

3.Linux进程的调度算法

分两种：

• 普通调度算法
• 实时调度算法

对应进程提供了两种优先级，一种是普通的进程优先级，第二个是实时优先级。前者适用SCHED_NORMAL调度策略，后者可选SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略。任何时候，实时进程的优先级都高于普通进程，实时进程只会被更高级的实时进程抢占，同级实时进程之间是按照FIFO（一次机会做完）或者RR（多次轮转）规则调度的。

实时进程，只有静态优先级，因为内核不会再根据休眠等因素对其静态优先级做调整，其范围在0~MAX_RT_PRIO-1间。默认MAX_RT_PRIO配置为100，也即，默认的实时优先级范围是0~99。而nice值，影响的是优先级在MAX_RT_PRIO~MAX_RT_PRIO+40范围内的进程。不同于普通进程，系统调度时，实时优先级高的进程总是先于优先级低的进程执行，直到实时优先级高的实时进程无法执行。实时进程总是被认为处于活动状态，如果有数个优先级相同的实时进程，那么系统就会按照进程出现在队列上的顺序选择进程。不同调度策略的实时进程只有在相同优先级时才有可比性：

• 对于FIFO的进程，只有当前进程执行完毕才会轮到其他进程执行。
• 对于RR的进程。一旦时间片消耗完毕，则会将该进程置于队列的末尾，然后运行其他相同优先级的进程，如果没有其他相同优先级的进程，则该进程会继续执行。

总而言之，对于实时进程，高优先级的进程执行到没法执行了，才轮到低优先级的进程执行。

Linux对普通的进程，根据动态优先级进行调度。而动态优先级是由静态优先级（static_prio）调整而来。Linux下，静态优先级是用户不可见的，隐藏在内核中。而内核提供给用户一个可以影响静态优先级的接口，那就是nice值，两者关系如下：

　　static_prio=MAX_RT_PRIO +nice+ 20

nice值的范围是-20~19，因而静态优先级范围在100~139之间。nice数值越大就使得static_prio越大，最终进程优先级就越低，ps -el 命令执行结果：NI列显示的每个进程的nice值，PRI是进程的优先级（如果是实时进程就是静态优先级，如果是非实时进程，就是动态优先级），而进程的时间片就是完全依赖 static_prio 定制的。

系统调度时，还会考虑其他因素，因而会计算出一个叫进程动态优先级的东西，根据此来实施调度。因为，不仅要考虑静态优先级，也要考虑进程的属性。例如如果进程属于交互式进程，那么可以适当的调高它的优先级，使得界面反应地更加迅速，从而使用户得到更好的体验。Linux2.6 在这方面有了较大的提高。Linux2.6认为，交互式进程可以从平均睡眠时间这样一个measurement进行判断。进程过去的睡眠时间越多，则越有可能属于交互式进程。则系统调度时，会给该进程更多的奖励（bonus），以便该进程有更多的机会能够执行。奖励（bonus）从0到10不等。

系统会严格按照动态优先级高低的顺序安排进程执行。动态优先级高的进程进入非运行状态，或者时间片消耗完毕才会轮到动态优先级较低的进程执行。动态优先级的计算主要考虑两个因素：静态优先级，进程的平均睡眠时间也即bonus。计算公式如下，

 dynamic_prio = max (100, min (static_prio - bonus + 5, 139))

4.Linux进程状态机

进程是通过fork系列的系统调用（fork、clone、vfork）来创建的，内核（或内核模块）也可以通过kernel_thread函数创建内核进程。这些创建子进程的函数本质上都完成了相同的功能——将调用进程复制一份，得到子进程。那么既然调用进程处于TASK_RUNNING状态，则子进程默认也处于TASK_RUNNING状态。另外，在系统调用clone和内核函数kernel_thread也接受CLONE_STOPPED选项，从而将子进程的初始状态置为 TASK_STOPPED。
进程创建后，状态可能发生一系列的变化，直到进程退出。而尽管进程状态有好几种，但是进程状态的变迁却只有两个方向——从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态、或者从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态。总之，TASK_RUNNING是必经之路，不可能两个非RUN状态直接转换。也就是说，如果给一个TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程发送SIGKILL信号，这个进程将先被唤醒（进入TASK_RUNNING状态），然后再响应SIGKILL信号而退出（变为TASK_DEAD状态）。并不会从TASK_INTERRUPTIBLE状态直接退出。进程从非TASK_RUNNING状态变为TASK_RUNNING状态，是由别的进程（也可能是中断处理程序）执行唤醒操作来实现的。执行唤醒的进程设置被唤醒进程的状态为TASK_RUNNING，然后将其task_struct结构加入到某个CPU的可执行队列中。于是被唤醒的进程将有机会被调度执行。

进程从TASK_RUNNING状态变为非TASK_RUNNING状态，则有两种途径：

• 响应信号而进入TASK_STOPED状态、或TASK_DEAD状态；
• 执行系统调用主动进入TASK_INTERRUPTIBLE状态（如nanosleep系统调用）、或TASK_DEAD状态（如exit系统调用）；或由于执行系统调用需要的资源得不到满足，而进入TASK_INTERRUPTIBLE状态或TASK_UNINTERRUPTIBLE状态（如select系统调用）。

显然，这两种情况都只能发生在进程正在CPU上执行的情况下。通过ps命令我们能够查看到系统中存在的进程，以及它们的状态：

• R(TASK_RUNNING)，可执行状态。

只有在该状态的进程才可能在CPU上运行。而同一时刻可能有多个进程处于可执行状态，这些进程的task_struct结构（进程控制块）被放入对应CPU的可执行队列中（一个进程最多只能出现在一个CPU的可执行队列中）。进程调度器的任务就是从各个CPU的可执行队列中分别选择一个进程在该CPU上运行。
只要可执行队列不为空，其对应的CPU就不能偷懒，就要执行其中某个进程。一般称此时的CPU“忙碌”。对应的，CPU“空闲”就是指其对应的可执行队列为空，以致于CPU无事可做。

很多操作系统教科书将正在CPU上执行的进程定义为RUNNING状态、而将可执行但是尚未被调度执行的进程定义为READY状态，这两种状态在linux下统一为 TASK_RUNNING状态。

• S(TASK_INTERRUPTIBLE)，可中断的睡眠状态。

处于这个状态的进程因为等待某某事件的发生（比如等待socket连接、等待信号量），而被挂起。这些进程的task_struct结构被放入对应事件的等待队列中。当这些事件发生时（由外部中断触发、或由其他进程触发），对应的等待队列中的一个或多个进程将被唤醒。

通过ps命令我们会看到，一般情况下，进程列表中的绝大多数进程都处于TASK_INTERRUPTIBLE状态（除非机器的负载很高）。毕竟CPU就这么一两个，进程动辄几十上百个，如果不是绝大多数进程都在睡眠，CPU又怎么响应得过来。

• D(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，不可中断的睡眠状态。

与TASK_INTERRUPTIBLE状态类似，进程处于睡眠状态，但是此刻进程是不可中断的。不可中断，指的并不是CPU不响应外部硬件的中断，而是指进程不响应异步信号。
绝大多数情况下，进程处在睡眠状态时，总是应该能够响应异步信号的。否则你将惊奇的发现，kill -9竟然杀不死一个正在睡眠的进程了！于是我们也很好理解，为什么ps命令看到的进程几乎不会出现TASK_UNINTERRUPTIBLE状态，而总是TASK_INTERRUPTIBLE状态。

而TASK_UNINTERRUPTIBLE状态存在的意义就在于，内核的某些处理流程是不能被打断的。如果响应异步信号，程序的执行流程中就会被插入一段用于处理异步信号的流程（这个插入的流程可能只存在于内核态，也可能延伸到用户态），于是原有的流程就被中断了。
在进程对某些硬件进行操作时（比如进程调用read系统调用对某个设备文件进行读操作，而read系统调用最终执行到对应设备驱动的代码，并与对应的物理设备进行交互），可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE状态对进程进行保护，以避免进程与设备交互的过程被打断，造成设备陷入不可控的状态。（比如read系统调用触发了一次磁盘到用户空间的内存的DMA，如果DMA进行过程中，进程由于响应信号而退出了，那么DMA正在访问的内存可能就要被释放了。）这种情况下的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态总是非常短暂的，通过ps命令基本上不可能捕捉到。

linux系统中也存在容易捕捉的TASK_UNINTERRUPTIBLE状态。执行vfork系统调用后，父进程将进入TASK_UNINTERRUPTIBLE状态，直到子进程调用exit或exec。
通过下面的代码就能得到处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程：

#include <unistd.h>
void main() {
if (!vfork()) sleep(100);
}

编译运行，然后ps一下：

[e-mail]:~/test$ ps -ax | grep a\.out
4371 pts/0 D+ 0:00 ./a.out
4372 pts/0 S+ 0:00 ./a.out
4374 pts/1 S+ 0:00 grep a.out

然后我们可以试验一下TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的威力。不管kill还是kill -9，这个TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的父进程依然屹立不倒。

• T(TASK_STOPPED or TASK_TRACED)，暂停状态或跟踪状态。

向进程发送一个SIGSTOP信号，它就会因响应该信号而进入TASK_STOPPED状态（除非该进程本身处于TASK_UNINTERRUPTIBLE状态而不响应信号）。（SIGSTOP与SIGKILL信号一样，是非常强制的。不允许用户进程通过signal系列的系统调用重新设置对应的信号处理函数。）
向进程发送一个SIGCONT信号，可以让其从TASK_STOPPED状态恢复到TASK_RUNNING状态。

当进程正在被跟踪时，它处于TASK_TRACED这个特殊的状态。“正在被跟踪”指的是进程暂停下来，等待跟踪它的进程对它进行操作。比如在gdb中对被跟踪的进程下一个断点，进程在断点处停下来的时候就处于TASK_TRACED状态。而在其他时候，被跟踪的进程还是处于前面提到的那些状态。对于进程本身来说，TASK_STOPPED和TASK_TRACED状态很类似，都是表示进程暂停下来。而TASK_TRACED状态相当于在TASK_STOPPED之上多了一层保护，处于TASK_TRACED状态的进程不能响应SIGCONT信号而被唤醒。只能等到调试进程通过ptrace系统调用执行PTRACE_CONT、PTRACE_DETACH等操作（通过ptrace系统调用的参数指定操作），或调试进程退出，被调试的进程才能恢复TASK_RUNNING状态。

• Z(TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，退出状态，进程成为僵尸进程。

进程在退出的过程中，处于TASK_DEAD状态。在这个退出过程中，进程占有的所有资源将被回收，除了task_struct结构（以及少数资源）以外。于是进程就只剩下task_struct这么个空壳，故称为僵尸。

之所以保留task_struct，是因为task_struct里面保存了进程的退出码、以及一些统计信息。而其父进程很可能会关心这些信息。比如在shell中，$?变量就保存了最后一个退出的前台进程的退出码，而这个退出码往往被作为if语句的判断条件。当然，内核也可以将这些信息保存在别的地方，而将task_struct结构释放掉，以节省一些空间。但是使用task_struct结构更为方便，因为在内核中已经建立了从pid到task_struct查找关系，还有进程间的父子关系。释放掉task_struct，则需要建立一些新的数据结构，以便让父进程找到它的子进程的退出信息。

父进程可以通过wait系列的系统调用（如wait4、waitid）来等待某个或某些子进程的退出，并获取它的退出信息。然后wait系列的系统调用会顺便将子进程的尸体（task_struct）也释放掉。
子进程在退出的过程中，内核会给其父进程发送一个信号，通知父进程来“收尸”。这个信号默认是SIGCHLD，但是在通过clone系统调用创建子进程时，可以设置这个信号。

通过下面的代码能够制造一个EXIT_ZOMBIE状态的进程：

#include <unistd.h>
void main() 
{
    if (fork())
        while(1) sleep(100);
}

编译运行，然后ps一下：

[e-mail]:~/test$ ps -ax | grep a\.out
10410 pts/0 S+ 0:00 ./a.out
10411 pts/0 Z+ 0:00 [a.out] <defunct>
10413 pts/1 S+ 0:00 grep a.out

只要父进程不退出，这个僵尸状态的子进程就一直存在。那么如果父进程退出了呢，谁又来给子进程“收尸”？当进程退出的时候，会将它的所有子进程都托管给别的进程（使之成为别的进程的子进程）。托管给谁呢？可能是退出进程所在进程组的下一个进程（如果存在的话），或者是1号进程。所以每个进程、每时每刻都有父进程存在。除非它是1号进程。

1号进程，pid为1的进程，又称init进程。
linux系统启动后，第一个被创建的用户态进程就是init进程。它有两项使命：

• 执行系统初始化脚本，创建一系列的进程（它们都是init进程的子孙）；
• 在一个死循环中等待其子进程的退出事件，并调用waitid系统调用来完成“收尸”工作；

init进程不会被暂停、也不会被杀死（这是由内核来保证的）。它在等待子进程退出的过程中处于TASK_INTERRUPTIBLE状态，“收尸”过程中则处于TASK_RUNNING状态。

• X(TASK_DEAD - EXIT_DEAD)，退出状态，进程即将被销毁。

而进程在退出过程中也可能不会保留它的task_struct。比如这个进程是多线程程序中被detach过的进程（进程？线程？参见《linux线程浅析》）。或者父进程通过设置SIGCHLD信号的handler为SIG_IGN，显式的忽略了SIGCHLD信号。（这是posix的规定，尽管子进程的退出信号可以被设置为SIGCHLD以外的其他信号。）
此时，进程将被置于EXIT_DEAD退出状态，这意味着接下来的代码立即就会将该进程彻底释放。所以EXIT_DEAD状态是非常短暂的，几乎不可能通过ps命令捕捉到。