第5章进程调度与负载均衡.PDF

第 5 章 进程调度与负载均衡 调度工作涉及选择哪个（哪些）任务在哪个（哪些）处理器上运行，解决各个进程公 平地享用 CPU 资源的问题。具体需要确定当前进程可以占用 CPU 核多久、哪个进程将是 下一个要运行的进程。负载均衡主要解决的是各个 CPU 忙闲不一的问题，提高系统的整体 吞吐率。 调度和负载均衡大体上是与硬件架构无关的，但是调度相关的进程切换则是体系结构 紧密相关的内容（已在 4.3 节讨论），另外在考虑进程迁移的开销时需要考虑架构细节。 调度和负载均衡在图 1-5 的模型中属于进程管理的自主执行代码，用户仅能修改某些 参数而不能直接干预调度和负载均衡操作。 本章内容相对独立，不像内存管理和文件系统那样互相关联，因此是比较容易理解的， 大多数 Linux 内核分析的图书对这方面的论述也比较全面。 5.1 调度与均衡基本框架 就绪进程在 Linux 内核中的组织分成若干层次，首先是按不同处理器组织成不同的运 行队列 rq （run queue ），在每个处理器的 rq 内部又按紧急程度组织成 4 种“调度类”，各种 调度类管理自己的就绪进程。各种调度类内部的进程间使用优先级进一步区分各自的重要 程度。 进程调度解决的就是如何从这些就绪的进程中选择一个到 CPU 上去运行，而负载均衡 就是在各个处理器上负载严重不均的时候将繁忙处理器 rq 上的进程迁移到空闲 CPU 的 rq 之上，因此 rq 是调度和负载均衡的基础数据结构，后面会展开讨论。上述工作可以简单 用图 5-1 表示。 图 5-1 就绪进程组织与调度、均衡示意图 194 Linux 技术内幕 图 5-1 展示了 4 个 CPU 的系统上的例子，每个 CPU 有各自的 rq 就绪队列，每个 rq 管 理着 4 种类型的任务——分别对应 STOP、RT 、CFS 和 IDLE 调度类，优先级依次递减。 实时任务属于 RT 调度类，普通进程属于 CFS 完全公平调度类。调度程序从各个 rq 数据结 构中挑选一个进程作为各个 CPU 运行的任务，在合适的时机将现有任务撤下 CPU 而换上 另一个更紧迫的任务。由于图 5-1 例子中没有 STOP 类进程，因此 CPU0/1 上执行的是实时 RT 类任务，而 CPU2 上执行的是普通 CFS 类任务，CPU3 上没有有效进程因此执行 IDLE 类任务。随着时间的推进，各个处理器会交替地执行本地的各个就绪进程。对于 CPU3 处 于空闲 IDLE 状态，负载均衡器会将其他 CPU 上的就绪进程迁移过来，避免处理器的忙闲 不一的状态。此例子中 CPU0 上的高优先级实时任务可通过负载均衡迁移到 CPU2/3 上。 5.2 进程状态与转换 在第 4 章讨论进程切换的时候，只涉及就绪进程。但实际上进程不仅区分为在 CPU 上 运行和未获得 CPU 的两个基本状态，还有其他多种进程运行状态。 5.2.1 进程调度状态 Linux 是一个多用户、多任务的系统，可以同时运行多个用户的多个程序，就必然会 产生很多的进程，而每个进程除了正在运行（拥有 CPU ）外还会有其他不同的状态。这些 状态的具体编码如代码 5-1 所示。 代码 5-1 进程状态 (linux-3.13/include/linux/sched.h) 135 #define TASK_RUNNING 0 136 #define TASK_INTERRUPTIBLE 1 137 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2 138 #define __TASK_STOPPED 4 139 #define __TASK_TRACED 8 140 /* in tsk-exit_state */ 以下两个状态出现在 task_struct- exit_state 141 #define EXIT_ZOMBIE 16 142 #define EXIT_DEAD 32 143 /* i