linux系统编程——进程管理——高级

2021-10-23 18:38:41

1. 进程调度

进程调度是内核子系统，用于将有限的处理器使用时间资源分配给各个进程，决定哪些进程可以运行及运行多久。
调度的目标：
＊最大化cpu利用率

尽可能提高系统交互响应速度
让每个进程都能被运行

2. 调度分类

协同式：进程自己主动放弃运行，让其他进程运行
抢占式：调度程序决定何时停止一个进程运行，让不同进程继续运行

linux使用抢占式。

3. 时间片

时间片是cpu分配的基本单位。
时间片的长短设置值得考虑。
通常，若希望最大化系统吞吐量及整体性能，可以使用较大时间片（减少进程切换，享受时间局部性）。
若希望最佳交互性能，则使用非常小时间片。

注意，进程可能不会用完它的所有时间片，
如，进程被分配了100ms时间，可能运行20ms，然后阻塞等待资源。
调度程序会将其从可运行进程列表中移除，当资源可用，调度程序会唤醒进程。
然后进程继续运行，直到用完时间片剩余80ms，或再次阻塞等待资源。

4. 从进程角度看调度

进程分为：

IO密集型：希望分配较长时间片，但不太在乎调度优先级
cpu密集型：很在乎调度优先级，不太在乎时间片长度
linux调度程序会试图找到IO密集型程序，并提高优先级，并降低cpu密集型程序的优先级。

实际上，多数程序是混合型。

5. 抢占式调度

当一个进程的时间片用完，内核会暂停其运行，并允许新的进程。
若系统没有可运行的进程，则内核会给一组已经用完时间片的进程，重新补足时间片，并再次让他们运行。
如此，所有进程都能得以运行。

若系统没有可运行的进程，内核会运行空间进程，空闲进程实际上不是进程，也不会允许（以便节省电池电力）。
空闲进程是内核的特殊例程，用于简化调度程序算法。

若有一个进程正在运行，突然一个高优先级进程变成可运行的（可能因为键盘输入），于是进程会立即暂停当前正在
运行的进程，并运行优先级高的进程。
因此，当前有时间片的优先级最高的进程绝不可能进程可运行态，但是未运行状态。
正在运行的进程往往是系统中优先级最高的可运行进程。

5.1 完全公平调度

上面的调度方法的过时的，
完全公平调度更优调度算法，特点是没有时间片，而用时间比例。
比如，CFS给N个进程分别分配1/N的处理器时间，然后CFS通过优先级计算每个进程的比列以调整分配，
默认优先级为0，权值为1，则比列不变，优先级的值越小，权值越高，增加分配比列。

为了避免比例太小导致只够进程切换消耗，所以引入最小粒度，最小粒度为时间长度的基本单位。

6. 线程

每个线程有自己的虚拟处理器：一套寄存器，指令指针，处理状态。
对linux内核而言，线程是独特的进程，内核将两个线程所组成的进程，看作两个共享内核资源（地址空间，所打开的文件等）的进程。

7. 让出处理器

int sched_yield(void);

linux虽然是抢占式，但也提供了一个系统调用，让进程可以主动放出执行权。

若存在其他可运行进程，sched_yield 的调用进程会暂停，内核会将其放到可运行进程列表尾部，并选出一个新的进程运行。
若不存在任何其他进程，sched_yield 的调用进程不会暂停，而继续执行。

7.1 sched_yield的用途

首先进程调度应该交给内核，因为内核能看到所有的进程，以安排最优调度策略。

sched_yield的可能用途

等待外部事件。
以生产消费者为例

do {
  while (producer_not_ready())
      sched_yield();
  process_data();
} while (!time_to_quit());

但是，unix上不会这样写，因为又更好的方法：事件驱动。
如上面用一个管道代替 sched_yield。
总之，unix程序应该把目标放在依赖可阻塞的fd的事件驱动解决方案上。

线程锁定
一个线程需要获得另一个线程持有的锁，则应该让出cpu，让另一个线程释放锁。这个方法很简单，有效。
可替代方法：现代linux线程实现（new posix threading library NPTL）有一个使用
futexes(为用户空间锁提供内核的支持)的优化解决方案。

8. 进程优先级

linux根据进程优先级对进程进行调度，
优先级会影响进程何时运行，和运行多久。
nice值为 [-20, 19] 默认为0。

8.1 设置优先级

int getpriority(int which, int who);
int setpriority(int which, int who, int prio);

返回当前进程优先级

ret = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);

设置当前进程组所有进程优先级为10

ret = setpriority(PRIO_PGRP, 10);

8.2 IO优先级

IO优先级影响进程IO请求，IO调度程序会先服务IO优先级高的进程的请求。

默认情况下，IO调度程序使用进程nice值确定IO优先级。因此设置nice值自动变更IO优先级。

9. 处理器亲和性

由于多核环境下，若进程移动cpu，有如下弊端：

原cache数据作废
不能访问原cache中的数据
所以进程调度程序会尽可能让一个进程安排特定cpu来运行。
但又由于cpu负载可能不均衡，所以当负载不均衡时，调度程序会让进程移动到较空闲的cpu。

有时进程需要一定一直绑定在特定处理器，linux提供了相关系统调用。
放心不会导致cpu负载不均衡，因为调度程序会移动其他进程。

获得进程pid的cpu亲和性，当Pid为0，表示获得当前进程。

cpu_set_t set;
int  i;

CPU_ZERO(&set);
sched_getaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &set);

for (i = 0; i < CPU_SETSIZE; i++) {
  int cpu;
  cpu = CPU_ISSET (i, &set);
  printf("cpu = %i is %s\n", i, cpu ? "set" : "unset");
}

若打印

cpu=0 is set
cpu=1 is set
cpu=2 is unset

若希望只运行在cpu0上，可以这么做

cpu_set_t set;
int i;

CPU_ZERO(&set);
CPU_SET(0, &set);
CPU_CLR(1, &set); // 这是多余的，因为上面已经清零，但为了完成性
sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &set);

for (i = 0; i < CPU_SETSIZE; i++) {
  int cpu;

  cpu = CPU_ISSET (i, &set);
  printf("cpu = %i is %s\n", i, cpu ? "set" : "unset");
}

成功后，打印

cpu=0 is set
cpu=1 is unset
cpu=2 is unset