深入理解Linux内核之主调度器（上）

一、引言

Linux内核作为操作系统的心脏，负责管理计算机的硬件资源，其中最重要的任务之一就是调度器。调度器负责决定哪个进程或线程应该被CPU执行，以及怎样分配CPU时间。本文将深入探讨Linux内核的主调度器，从其基本概念、工作原理到具体实现细节。

二、主调度器概述

主调度器（CFS调度器）是Linux内核中负责进程调度的核心组件。它基于完全公平调度（CFS）算法，旨在为所有进程提供公平的CPU时间分配。CFS调度器将所有进程视为一个整体，按照每个进程的运行时间来分配CPU时间，确保每个进程都有机会运行。

三、CFS调度器的工作原理

CFS调度器的工作原理可以概括为以下几个步骤：

1. 初始化：在系统启动时，CFS调度器会初始化一些全局变量，如全局时间片（gslice）和全局运行时间（gslice）。这些变量用于跟踪整个系统的运行情况。
2. 进程状态转换：当一个进程从运行状态变为就绪状态时，CFS调度器会将其添加到调度队列中。当进程从就绪状态变为运行状态时，CFS调度器会从调度队列中选择一个进程执行。
3. 时间片分配：CFS调度器为每个进程分配一个时间片，用于确定该进程在CPU上运行的时间长度。时间片的大小取决于系统的负载和进程的优先级。
4. 调度决策：CFS调度器结合进程的优先级、运行时间和时间片等因素，决定哪个进程应该被CPU执行。

四、进程状态与调度队列

在CFS调度器中，进程的状态分为以下几种：

• 运行（R）：进程正在CPU上执行。
• 就绪（R）：进程已经准备好执行，但CPU正在执行其他进程。
• 睡眠（S）：进程正在等待某个事件出现，如I/O操作完成。
• 停止（T）：进程被强制停止执行。
• 僵尸（Z）：进程已经终止执行，但其父进程尚未回收其资源。

CFS调度器使用多个调度队列来管理不同优先级的进程。每个调度队列包含一个双向链表，链表中的每个节点代表一个进程。调度队列按照进程的优先级和运行时间进行排序。

五、时间片与调度决策

CFS调度器为每个进程分配一个时间片，用于确定该进程在CPU上运行的时间长度。时间片的大小取决于以下因素：

• 全局时间片（gslice）：用于控制整个系统的调度行为。
• 进程的运行时间：运行时间越长的进程，获得的时间片越大。
• 进程的优先级：优先级越高的进程，获得的时间片越大。

CFS调度器通过比较进程的运行时间和时间片，决定哪个进程应该被CPU执行。当一个进程的时间片用完时，它会自动进入就绪状态，等待下一次调度。

六、代码实现

以下是一个CFS调度器中进程状态转换的易懂示例代码：

int schedule_process(struct task_struct *p)
{
    // 将进程从运行状态变为就绪状态
    if (p->state == TASK_RUNNING) {
        p->state = TASK_READY;
        add_to_ready_queue(p);
    }
    // 从就绪状态选择进程执行
    struct task_struct *next_process = select_next_process();
    if (next_process) {
        p->state = TASK_RUNNING;
        run_process(next_process);
    }
    return 0;
}
    

七、总结

本文介绍了Linux内核的主调度器CFS调度器的基本概念、工作原理和代码实现。通过深入懂得CFS调度器，我们可以更好地优化系统性能，减成本时间进程的响应速度。

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