风雨兼程

摘 要:本文结合源代码着重分析了Linux进程调度的依据、策略和调度程序schedule()。

关键词: 嵌入式Linux；进程调度；实时进程；调度策略。

１　前言

处理机（CPU）是整个计算机系统的核心资源，在多进程的操作系统中，进程数往往多于处理机数，这将导致各进程互相争夺处理机。进程调度对系统功能的实现及各方面的性能都有着决定性的影响，其实质就是把处理机公平、合理、高效地分配给各个进程。调度是实现多任务并发执行的必要手段，不同的操作系统有着不同的调度目标。在传统的Unix类分时系统中，保证多个进程公平地使用系统资源，提供较好的响应时间是调度的主要目标；而在强实时操作系统中，总是优先级高的任务优先获得处理机的使用权。

Linux具有内核稳定、功能强大、可裁减、低成本等特点，非常适合嵌入式应用。但是Linux内核本身并不具备强实时特性，且内核体积较大，因此，想要把Linux用于嵌入式系统，必须对Linux进行实时化、嵌入式化。Linux 结合实时进程和非实时进程（普通进程）自身的特点，综合了上述几种调度策略，实现了高效、灵活的进程调度。

２　Linux进程调度分析

2.1　Linux进程状态的描述

Linux将进程状态描述为如下五种：

TASK_RUNNING：可运行状态。处于该状态的进程可以被调度执行而成为当前进程。

TASK_INTERRUPTIBLE：可中断的睡眠状态。处于该状态的进程在所需资源有效时被唤醒，也可以通过信号或定时中断唤醒。

TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中断的睡眠状态。处于该状态的进程仅当所需资源有效时被唤醒。

TASK_ZOMBIE：僵尸状态。表示进程结束且已释放资源，但其task_struct仍未释放。

TASK_STOPPED：暂停状态。处于该状态的进程通过其他进程的信号才能被唤醒。

2　调度方式

Linux中的每个进程都分配有一个相对独立的虚拟地址空间。该虚存空间分为两部分：用户空间包含了进程本身的代码和数据；内核空间包含了操作系统的代码和数据。

Linux采用“有条件的可剥夺”调度方式。对于普通进程，当其时间片结束时，调度程序挑选出下一个处于TASK_RUNNING状态的进程作为当前进程（自愿调度）。对于实时进程，若其优先级足够高，则会从当前的运行进程中抢占CPU 成为新的当前进程（强制调度）。发生强制调度时，若进程在用户空间中运行，就会直接被剥夺CPU；若进程在内核空间中运行，即使迫切需要其放弃CPU，也仍要等到从它系统空间返回的前夕才被剥夺CPU。

3 调度策略

3.1　三种调度策略

(1)SCHED_OTHER。SCHED_OTHER是面向普通进程的时间片轮转策略。采用该策略时，系统为处于TASK_RUNNING状态的每个进程分配一个时间片。当时间片用完时，进程调度程序再选择下一个优先级相对较高的进程，并授予CPU使用权。

（２）SCHED_FIFO。SCHED_FIFO策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较短的实时进程。采用该策略时，各实时进程按其进入可运行队列的顺序依次获得CPU。除了因等待某个事件主动放弃CPU，或者出现优先级更高的进程而剥夺其CPU之外，该进程将一直占用CPU运行。

(3)SCHED_RR。SCHED_RR策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较长的实时进程。采用该策略时，各实时进程按时间片轮流使用CPU。当一个运行进程的时间片用完后，进程调度程序停止其运行并将其置于可运行队列的末尾。

3.2 　进程调度依据

Linux只有一个可运行队列，处于TASK_RUNNING状态的实时进程和普通进程都加入到这个可运行队列中。Linux的进程调度采用了动态优先级和权值调控的方法，既可实现上述三种调度策略，又能保证实时进程总是比普通进程优先使用CPU。描述进程的数据结构task_struct中用以下几个数据作为调度依据：

Struct task_struct {
    ……
    volatile long need_resched;  /*是否需要重新调度*/
　　long counter;  /*进程当前还拥有的时间片*/
long nice;  /*普通进程的动态优先级，来自UNIX系统*/
unsigned long policy; /*进程调度策略*/
unsigned long rt_priority;  /*实时进程的优先级*/
……
}；


counter的值是动态变化的，进程运行时，每一个时钟滴答后，其值减1。当counter值为0时，表示该进程时间片已用完，该进程回到可运行队列中，等待再次调度。

为保证实时进程优于普通进程，Linux采取加权处理法。在进程调度过程中，每次选取下一个运行进程时，调度程序首先给可运行队列中的每个进程赋予一个权值weight。普通进程的权值就是其counter和优先级nice的综合，而实时进程的权值是它的rt_priority的值加1000，确保实时进程的权值总能大于普通进程。调度程序检查可运行队列中所有进程的权值，选取权值最大者作为下一个运行进程，保证了实时进程优先于普通进程获得CPU。Linux使用内核函数goodness()对进程进行加权处理：

Static inline goodness
(struct task_struct * pint this_cpu, struct mm_struct *this_mm)
{
  Int weight;
  Weight=-1;
/*判断如果任务的调度策略被置为SCHED_YIELD的话，则置权值为－1，返回。
系统调用SCHED_YIELD表示为“礼让”进程，其权值为最低*/
　If (p->policy & SCHED_YIELD)
        goto out;

/*先对普通进程进行处理（由于多数是普通进程，这样做有利于提高系统效率）*/
If (p->policy==SCHED_OTHER){
      weight=p->counter;         /*返回权值为进程的counter值*/
/*如果当前进程的counter为0，则表示当前进程的时间片已用完，直接返回*/
　If (! weight)
        Goto out;
#Ifdef CONFIG_SMP
 If (p->processor==this_cpu)
                 Weight+=PROC_CHANGE_PENALTY;
#Endif
/*对进程权值进行微调，如果进程的内存空间使用当前正在运行的进程的内存空间，
则权值额外加1*/
　     If (p->mm==this_mm||! p->mm)
              Weight+=1;
/*将权值加上20与进程优先级nice的差。普通进程的权值主要由counter值和nice值组成*/
　Weight+=20-p->nice;
  Goto out;
}
 /*对实时进程进行处理，返回权值为rt_priority+1000，确保优先级高于普通进程*/
Weight=1000+p->rt_priority;
 Out:
return weight;　
}

从goodness()函数可以看出，对于普通进程，其权值主要取决于剩余的时间配额和 nice两个因素。nice的规定取值范围为19～-20，只有特权用户才能把nice值设为负数，而表达式（20-p->nice）掉转方向成为 1～40。所以，综合的权值在时间片尚未用完时基本上是两者之和。如果是内核进程，或者其用户空间与当前进程相同，则权值将额外加1作为奖励。对于实时进程，其权值为1000＋p->rt_priority，当p->counter达到0时该进程将移到队列的尾部，但其优先级仍不少于 1000。可见当有实时进程就绪时，普通进程是没机会运行的。

由此可以看出，通过goodness()函数，Linux从优先考虑实时进程出发，实现了多种调度策略的统一处理，其设计思想可谓非常巧妙。

3.3 进程调度

Linux的进程调度由调度程序schedule()完成，通过对schedule()的分析能更好理解调度的过程。schedule()首先判断当前运行进程是否具有SCHED_RR 标志，本文取一部分加以分析：

if (prev->policy==SCHED_RR)  /*如果是轮转调度，先作goto特殊处理*/
     Goto move_rr_last;
　　……
Move_rr_last:
     If (! prev->counter){  /*如果counter减至0*/
          Prev->counter=NICE_TO_TICKS (prev->nice);
          Move_last_runqueue (prev);
}
Goto move_rr_back;

prev->counter代表当前进程的运行时间配额，其值逐渐减小。一旦减至0，就要从可执行队列runqueue中当前的位置移到末尾，宏操作NICE_TO_TICKS根据系统时钟的精度将进程的优先级别换算成可以运行的时间配额，即恢复其初始的时间配额。把该进程移到末尾意味着：如果没有权值更高的进程，但是有一个权值与这相同的进程存在，那么，那个权值相同而排列在前的进程就会被选中，从而顾全了大局。

接下来调度函数查询当前运行进程的状态是否改变:

Move_rr_back:
     switch(prev->state){  /*查看进程当前的状态*/
           Case TASK_INTERRUPTIBLE:
                if (signal pending(prev)){  /*判断运行期间是否收到信号*/
Prev->state=TASK_RUNNING;
Break;
}
               default:  /*当前运行进程处于非TASK_RUNNING状态*/
Del_from_runqueue (prev);
               Case TASK_RUNNING:
}
Prev->need_resched=0;


容易理解：如果发现进程处于 TASK_INTERRUPTIBLE状态且有信号等待处理，则内核将其状态设为TASK_RUNNING，让其处理完信号，接下来仍有机会获得CPU；如果没有信号等待，则将其从可运行队列中撤下来；如果处于TASK_RUNNING状态，则继续进行。然后，将prev-> need_resched的值恢复成0，因为所需的调度已经在运行。

Repeat schedule ():
　　　next=idle_task(this_cpu);  /*next指向最佳候选进程*/
      c=-1000; 　/*进程的综合权值，初始时是0号进程，-1000是可能的最低值*/
      If (prev->state==TASK_RUNNING)
           Goto still_running;

Still_running_back:
      List_for_each (tmp, &runqueue_head){
           P=list_entry (tmp, struct task_struct, run_list);
           if (can_schedule(p,this_cpu)){  /*计算p指向的进程的权值*/
Int weight=goodness (p, this_cpu, prev->active_mm);
if (weight>c)  /*比较权值大小*/
C=weight, next=p;
}
}

调度之前，将待调度的进程默认为0号进程，权值置为-1000。0号进程比较特别，既不会睡眠，又不能被杀死。接下来内核遍历可执行队列run queue中的每个进程，为每个进程通过goodness()函数计算出它当前所具有的权值，然后与当前的最高值c相比。如果两个进程具有相同权值的话，那么排在前面的进程胜出。

Still_running:
      C=goodness (prev, this_cpu, prev->active_mm);
      Next=prev;
      Goto still_running_back;

上面的代码告诉我们，如果当前进程想要继续运行，那么在挑选进程时以当前进程此刻的权值开始。这意味着，相对于权值相同的其他进程来说，当前进程优先。

若发现当前已选进程的权值为0，则需要重新计算各个进程的时间配额，schedule()将转入recalculate部分。限于篇幅，在此不再展开。

3 结束语

以上结合代码简要介绍了Linux中进程调度的基本思想、依据和策略，容易发现 Linux高效率和较强支持并发进程等特点。近年来，嵌入式Linux的研究正在成为一个热点，理解Linux进程调度的原理，并在此基础上改进调度算法可能存在的缺陷，可以进一步增强其对实时性的支持，使之进一步适应在嵌入式系统领域内的应用。