一、前言

今天給大家上點硬貨，關(guān)于Linux的進程管理和調(diào)度是學(xué)習(xí)和理解Linux的必學(xué)知識。為協(xié)調(diào)多個進程 "同時" 運行，現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常使用進程優(yōu)先級這一基本手段。每個進程都有一個與之相關(guān)的優(yōu)先級，如果有多個可執(zhí)行的進程等待CPU資源，那么具有更高優(yōu)先級的進程將優(yōu)先被調(diào)度執(zhí)行。今天就給大家講解一下Linux內(nèi)核中的進程管理和調(diào)度，文章內(nèi)容較長，大家記得先贊后看。

二、進程管理和多進程調(diào)度

2.1 進程標(biāo)識符和控制塊

進程標(biāo)識符是一個唯一的數(shù)字，表示每個運行的進程。在Linux中，進程ID（PID）通常從1開始自增。在系統(tǒng)中，內(nèi)核會為每個進程維護一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫做進程控制塊（PCB），也稱作進程描述符。PCB存儲了所有與進程有關(guān)的信息，包括進程的狀態(tài)、PID、進程優(yōu)先級、頁表和資源使用情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)等等。

2.2 進程狀態(tài)和轉(zhuǎn)換

在Linux中，每個進程都有一個狀態(tài)機，它可以處于就緒態(tài)、運行態(tài)、阻塞態(tài)或者僵死態(tài)。其中:

就緒態(tài)：指一個進程已經(jīng)準(zhǔn)備好被分配CPU并開始執(zhí)行了。

運行態(tài)：指正在占用CPU資源的當(dāng)前進程。

阻塞態(tài)：指因為某些原因而被掛起、無法占用CPU資源的進程。

僵尸態(tài)：指此進程已結(jié)束，但是其父進程還未回收該進程的資源。

進程狀態(tài)之間經(jīng)常會發(fā)生改變。例如一個從阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)的進程，需要一個事件去釋放阻塞，在這個時候進程的狀態(tài)就會隨之改變。

2.3 進程間通信

不同進程間需要進行信息交換和數(shù)據(jù)共享，因此Linux中提供了多種進程間通信機制，如管道（pipe）、消息隊列、信號量、共享內(nèi)存等。這些機制可以讓進程安全地交換數(shù)據(jù)，并通過各種同步方式來協(xié)調(diào)不同進程的行為。

在Linux系統(tǒng)中，通過管道實現(xiàn)進程間通信時，發(fā)送者進程將數(shù)據(jù)放入管道緩沖區(qū)，接收者進程從該緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。消息隊列是一個消息賴容器，發(fā)送進程可以將數(shù)據(jù)放入容器中，并設(shè)置一個特定的類型，接收者進程則根據(jù)類型從容器中獲取數(shù)據(jù)。共享內(nèi)存允許不同的進程訪問同一塊物理內(nèi)存，從而方便進程間共享數(shù)據(jù)。

三、單處理器下的Linux進程調(diào)度

3.1 Linux進程調(diào)度器

在Linux內(nèi)核中，進程調(diào)度器（Scheduling Class）是負(fù)責(zé)選擇下一個要被執(zhí)行的進程的模塊。Linux 2.6 內(nèi)核中提供了 CFS（Completely Fair Scheduler）作為默認(rèn)的進程調(diào)度算法。該算法將CPU公平地分配給所有“可運行”或者“準(zhǔn)備運行”的進程。這意味著即使有一個長時間運行的進程，其他進程仍然可以獲得足夠的機會使用CPU。

3.2 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（Round Robin Scheduling）又稱為循環(huán)賽制調(diào)度算法，是一種基于時間片的調(diào)度方法。在該算法中，操作系統(tǒng)將每個待執(zhí)行的進程排列成一個隊列，每個進程被分配一個固定大小的時間片，在時間片用完后，就將該進程放到隊列的末尾，等待下一次調(diào)度。

輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的特點是簡單易實現(xiàn)，能夠保證所有進程都有機會被調(diào)度執(zhí)行。但是由于現(xiàn)代計算機的速度越來越快，時間片可能變得過小，導(dǎo)致過多的進程切換，影響CPU性能。

3.3 最短剩余時間優(yōu)先調(diào)度算法

在最短剩余時間優(yōu)先調(diào)度算法（Shortest Remaining Time First）中，調(diào)度器會根據(jù)每個進程所需要的CPU運行時間來決定下一個調(diào)度哪個進程。如果當(dāng)前正在運行的進程所需的時間比另一個就緒進程所需的時間更長，則搶占當(dāng)前進程并將執(zhí)行權(quán)轉(zhuǎn)交給新進程。

這種方法可以確保每個進程都獲得它所需的運行時間，但當(dāng)有很多短進程時，長時間運行的進程可能會被明顯忽略。即使使用這樣的調(diào)度算法，也無法消除“饑餓”現(xiàn)象。具體而言，某些進程可能永遠(yuǎn)不會獲得足夠的CPU時間，在最壞情況下甚至可能對系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響。

3.4 其他調(diào)度算法的不足

時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 和 最短剩余時間優(yōu)先調(diào)度算法的問題在于，它們都無法保證公平性，因此可能導(dǎo)致某些進程處于饑餓或拖延狀態(tài)。此外，這些算法通常都是為單處理器設(shè)計的，無法充分利用現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中的多核和多線程特性。看起來這兩個算法的優(yōu)缺點都比較明顯，并且相互補充。因此，Linux進程管理和多進程調(diào)度需要其他更具有適應(yīng)性的算法，比如可以基于線程數(shù)量或者負(fù)載平衡調(diào)度策略等。

四、多處理器下的Linux進程調(diào)度

4.1 對稱多處理架構(gòu)下的負(fù)載均衡

在對稱多處理架構(gòu)（Symmetric Multi-Processor, SMP）中，所有處理器都是相等的，每個處理器都可以訪問共享內(nèi)存。在這種架構(gòu)下，Linux內(nèi)核通常使用負(fù)載均衡算法來平衡多個處理器的工作量，以提高系統(tǒng)效率。例如，在CFS算法中，Linux內(nèi)核使用紅黑樹來維護等待執(zhí)行的進程隊列，并通過最小化整個系統(tǒng)的最小負(fù)載差異來保持負(fù)載均衡。

4.2 非對稱多處理架構(gòu)下的優(yōu)化

在非對稱多處理架構(gòu)（Asymmetric Multi-Processor, AMP）中，處理器通常被分配到不同的任務(wù)上，因此無法直接訪問共享內(nèi)存。在這種情況下，為了發(fā)揮系統(tǒng)的最大性能，需要考慮在多個處理器之間更好地分配任務(wù)。

一種通用的方法是使用“領(lǐng)導(dǎo)者”或“主節(jié)點”來協(xié)調(diào)各個處理器的任務(wù)。主節(jié)點將任務(wù)分配給每個處理器，并監(jiān)視它們的運行情況。如果某個處理器出現(xiàn)故障或變得過于繁忙，則主節(jié)點會重新分配任務(wù)，從而保持系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。

4.3 多隊列調(diào)度算法

多隊列調(diào)度算法是一種可用于多處理器系統(tǒng)的調(diào)度算法。它通過將每個處理器分配給一個獨立的運行隊列，實現(xiàn)最大化利用多處理器系統(tǒng)資源。在多隊列調(diào)度算法中，調(diào)度器把任務(wù)動態(tài)地分發(fā)到這些運行隊列中，并執(zhí)行所需操作。這種算法能夠減少不同進程共享處理器核心導(dǎo)致出現(xiàn)的競爭情況，在滿足負(fù)載均衡的同時，還能夠保持高效性和公平性。

需要指出的是，由于現(xiàn)代計算機通常都有多個CPU核心，因此多處理器下的Linux進程調(diào)度和管理仍然是一個廣泛和活躍的領(lǐng)域，研究人員一直在探索不同的技術(shù)和算法，以解決新問題并提升系統(tǒng)性能。

五、CFS完全公平調(diào)度

5.1 CFS設(shè)計思路和原理

CFS（Completely Fair Scheduler）是Linux內(nèi)核默認(rèn)的進程調(diào)度算法，它的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)“完全公平”的調(diào)度。CFS達成該目標(biāo)的方式是為每個進程分配一個虛擬運行時間，然后根據(jù)進程所請求的cpu的份額對其進行調(diào)度。如果某個進程正在占用的CPU時鐘比其他進程少，則CFS會將其優(yōu)先級提高以確保其能及時獲得更多的CPU時間。相反，如果進程正在使用的CPU時鐘超過其所請求的份額，則其優(yōu)先級將降低，從而騰出CPU并讓其他等待調(diào)度的進程有機會獲得CPU執(zhí)行權(quán)。

在CFS中，進程排成一個紅黑樹并且被稱作“基于各自累計運行時間”排隊。一個較短累積運行時間的進程在隊列中的優(yōu)先級高于一個累積運行時間較長的低優(yōu)先級進程。計算紅黑樹中每個節(jié)點的長度需要經(jīng)過復(fù)雜的樹重新統(tǒng)計。

5.2 CFS特性和表現(xiàn)優(yōu)劣

CFS具有以下主要特征：

完全公平：CFS試圖讓所有進程都能夠獲得盡可能相等的CPU時間。

延遲敏感型：CFS通過控制時間分配來保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實時性，從而延遲敏感的應(yīng)用程序可以獲得穩(wěn)定的響應(yīng)時間。

可擴展性好：CFS易于擴展到多核處理器和大規(guī)模系統(tǒng)中。

不會產(chǎn)生饑餓：CFS為每個進程預(yù)先計算了所需的時間片，以確保所有進程都獲得合適的執(zhí)行時間。

然而，CFS也有一些局限性。由于CFS采用基于紅黑樹的動態(tài)公平調(diào)度策略，因此每次遍歷紅黑樹時都需要進行耗時的計算，這可能會降低系統(tǒng)性能和響應(yīng)能力。另外，CFS不能完全消除CPU資源控制不當(dāng)或CPU使用過高等問題。

5.3 CFS結(jié)合調(diào)試分析工具的使用技巧

在實際使用CFS時，還需要結(jié)合相關(guān)調(diào)試分析工具來優(yōu)化性能并解決問題。例如，通過top命令可以檢查當(dāng)前系統(tǒng)中的進程數(shù)量、CPU占用率以及內(nèi)存使用情況，如下圖所示：

另一種有用的調(diào)試工具是schedstat，它會顯示CFS調(diào)度器的統(tǒng)計值。通過這些顯示項，可以了解每個進程在系統(tǒng)中消耗的時間和資源情況。最后需要注意的是，CFS雖然是Linux內(nèi)核默認(rèn)的進程調(diào)度算法之一，但只適用于 Linux 2.6 及更高版本，其他操作系統(tǒng)或版本可能不支持該算法。