精《Linux内核精髓：精通Linux内核必会的75个绝技》一HACK #8 调度策略

HACK #8　调度策略

本节介绍Linux的调度策略（scheduling policy）。
Linux调度策略的类别大致可以分为TSS（Time Sharing System，分时系统）和实时系统这两种。
一方面，一般的进程是通过分时运行的。也就是说，使用CPU的时间达到分配给进程的时间（时间片）时，就会切换到其他进程。这种分时运行的调度策略称为TSS。
另一方面，在实时制约较严格且要求保证实时的处理中，就需要指定静态的执行优先级，并严格按照执行优先级进行调度。对这种对应答性有要求的进程，可以使用实时调度策略。另外，与TSS调度策略的进程相比，CPU将优先分配给使用实时调度策略的进程。
在Linux中，进程的静态优先级为0～99。TSS调度策略的优先级为0，实时调度策略的优先级可以指定的范围为1～99。
Linux 2.6.23以前一直采用的O（1）调度程序，还会在TSS调度策略中添加动态优先级。长时间持续使用CPU的进程，其调度的动态优先级会渐渐降低。Linux的进程调度程序是按照优先级来分配CPU的，因此长时间占用CPU的进程优先级与其他进程相比就相对较低。与之相对的是，频繁与用户进行交流的shell等对话进程由于CPU使用时间短，其调度的优先级变高，更容易分配到CPU。因此，为等待用户输入而立刻腾出CPU的shell进程的优先级变得比其他进程高，用户的应答性就得到提高。
在Linux 2.6.23导入的CFS（Completely Fair Scheduler）调度程序中，没有之前的O（1）调度程序所进行的经验性优先级变化。CFS通过称为公平的CPU时间分配的结构来运行。
调度策略
RHEL6（Linux 2.6.32）中定义了下列调度策略。

SCHED_OTHER
SCHED_FIFO
SCHED_RR
SCHED_BATCH
SCHED_IDLE

下面将分别对各调度策略进行介绍。

SCHED_OTHER

这是Linux的标准调度策略，也是所谓TSS调度策略。
在RHEL5等Linux 2.6.23之前的内核所使用的以优先级为基础的O(1)调度程序中，还加入了经验性的判断，优先为会话进程赋予执行权。TSS的时间片由优先级决定。
在RHEL6等Linux 2.6.23之后的CFS中，会公平地为所有TSS策略的进程分配CPU时间。其时间片是动态决定的。

SCHED_FIFO

这是实时调度策略，即具有静态优先级的调度策略。Linux内核中能够为实时调度策略的进程指定的优先级为1～99。使用了SCHED_FIFO调度策略的进程，除了等待I/O完成时休眠、自发休眠或优先级更高的实时进程获得优先权以外，不会释放执行权。
使用SCHED_FIFO的实时调度策略时，需要注意的是，它的进程不会自动释放CPU，也就是说执行权不会转移到其他进程。例如，实时调度策略的进程陷入无限循环时，其他所有优先级较低的进程永远不会被赋予执行权，此时系统就会死机。
小贴士：另外，要对进程使用实时调度策略，必须有root权限。

SCHED_RR

这也是实时调度策略。RR是round robin（轮询）的缩写，与SCHED_FIFO不同的是，它具有时间片。时间片使用完时，执行权将转移到其他进程。
在2.6.23以前导入的O（1）调度程序中，时间片是由优先级决定的。
引入CFS时SCHED_RR的调度策略也进行了修改，时间片变为固定值（100毫秒）。

SCHED_BATCH

指定这个调度策略的进程不是会话型，不会根据休眠时间更改优先级。
例如，备份处理等需要进行较大文件或大量文件存取的进程，是通过磁盘I/O来中止的。在TSS调度策略中，因为这个休眠，正在进行备份处理的进程优先级提高，需要应答性的shell等的优先级相对降低。这就会导致系统的应答性降低。
在RHEL5的O（1）调度程序中，使用了这个调度策略的进程被识别为休眠时间为0的CPU bound进程。因此，优先级必然会变成比会话型shell进程低。
对非会话型的进程（即所谓的补丁处理）使用这个调度策略，就可以使会话型进程的优先级保持相对较高，并确保应答性。
在Linux 2.6.23导入的CFS中，对进行补丁处理的进程改变了处理的方法，优先级不会因休眠时间而发生变化。在导入CFS的RHEL6中，SCHED_BATCH和SCHED_OTHER几乎没有区别，因此可以不使用。

SCHED_IDLE

这是由CFS导入的新等级。CPU空闲时，即SCHED_IDLE等级以外处于可执行状态的进程消失时，将被赋予执行权。也就是它将成为优先级最低的进程。
特殊标志：SCHED_RESET_ON_FORK
为了限制实时调度策略的进程运行，而为调度策略添加了标志flag。设置了标志flag的实时调度策略进程，在执行fork()时，新生成的子进程就成为SCHED_OTHER策略的进程。
如下例所示，通过向实时调度策略添加标志flag来设置。

sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO|SCHED_RESET_ON_FORK, &param);

关于调度策略的系统调用
关于调度策略的系统调用如下所示。

sched_setscheduler()

更改调度策略和进程优先级。

sched_getscheduler()

获取当前调度策略与进程优先级。

sched_setparam()

更改调度参数(即进程优先级)。

sched_getparam()

获取当前调度参数。

sched_get_priority_max()
sched_get_priority_min()

获取调度策略的进程的静态优先级范围。

sched_rr_get_interval()

获取当前时间片。
chrt命令
用户使用chrt命令可以很简单地更改调度策略。RHEL5版本的chrt命令中不存在指定SCHED_IDLE的-i选项。
在CentOS5（RHEL5）中chrt的使用方法如下所示。

$ chrt --help
chrt (util-linux 2.13-pre7)
usage: chrt [options] [prio] [pid | cmd [args...]]
manipulate real-time attributes of a process
  -b, --batch                        set policy to SCHED_BATCH
  -f, --fifo                          set policy to SCHED_FF
  -p, --pid                          operate on existing given pid
  -m, --max                          show min and max valid priorities
  -o, --other                        set policy to SCHED_OTHER
  -r, --rr                           set policy to SCHED_RR (default)
  -h, --help                         display this help
  -v, --verbose                      display status information
  -V, --version                      output version information

下面是Fedora 12（RHEL6）中chrt的使用方法。

$ chrt --help

chrt - manipulate real-time attributes of a process.

Set policy:
  chrt [options] <policy> <priority> {<pid> | <command> [<arg> ...]}

Get policy:
  chrt [options] {<pid> | <command> [<arg> ...]}


Scheduling policies:
  -b | --batch         set policy to SCHED_BATCH
  -f | --fifo          set policy to SCHED_FIFO
  -i | --idle          set policy to SCHED_IDLE
  -o | --other         set policy to SCHED_OTHER
  -r | --rr            set policy to SCHED_RR (default)

Options:
  -h | --help          display this help
  -p | --pid           operate on existing given pid
  -m | --max           show min and max valid priorities
  -v | --verbose       display status information
  -V | --version       output version information

使用chrt命令，可以更改进程的调度策略和优先级。例如，使用SCHED_IDLE解压缩内核源代码存档时的命令行如下所示。

$ chrt -i o tar jxf linux-2.6.33.tar.bz2

正在运行的进程的调度策略也可以通过指定目的进程的PID来更改。

# chrt -p -r 99 <pid>

另外，使用实时调度策略，必须具有root权限。
小结
本节介绍了可以使用Linux进程调度程序指定的调度策略。可以尝试修改对备份处理和要求实时性的进程的调度策略。
参考文献
CFS
http://www.ibm.com/developerworks/jp/linux/library/l-cfs/?ca=dnj-0208
man sched_setscheduler他
http://www.linux.or.jp/JM/html/LDP_man-pages/man2/sched_setscheduler.2.html
—Hiroshi Shimamoto