LINUX进程调度算法的分析

LINUX进程调度算法的分析

何 翔，顾 新

（西安电子科技大学，陕西西安 710071）

摘 要进程调度对一个操作系统来说是至关重要的，它起着非常关键的作用。本文针对Linux操作系统中的普通进程调度算法进行了分析，对以进程为CPU时间分配单位和以用户为CPU时间分配单位的两种算法进行了分析和对比。对它们在不同环境下对进程调度效率和公平性的影响进行了探讨，并总结出它们各自适用的环境。

最后为了进一步提高进程调度的效率和公平性，提出了混合算法的思想。

关键词进程调度；普通进程；动态优先级

中图分类号 TP316

1 前 言

在Linux操作系统中，有两种常用的普通进程

调度算法。它们分别以进程和用户为调度单位来进

行CPU时间的分配。这两种算法分别体现了多进程

环境下系统运行的高效性和多用户环境下的公平

性。但是这两种算法都有各自的适用环境，因此它

们各自都有优缺点。本文从多用户的公平性和多进

程的高效性出发对这两种算法进行了分析和比较，

最后提出了混合算法的思想，使进程调度更加高效

和公平。

2 进程调度

进程调度要满足高效率，公平性，响应时间快，周转时间短和吞吐量大等要求。Linux操作系统的内核根据进程响应时间的情况把进程分为3大类：交互进程；批处理进程；实时进程。内核在此基础上实现了3种不同的调度策略：SCHED_ FIFO(即先进现出策略)；SCHED_RR（即轮转策略）；SCHED_OTHER（适合交互分时的程序）。

进程调度时机，即调度器何时开始启动。可以在以下几个时刻进行进程调度：

（1）进程状态转换的时刻；

（2）可运行队列中新增加一个进程时；

（3）当前进程的时间片用完时；

（4）进程从系统返回到用户态时；

（5）内核处理完中断后，进程返回到用户态时。

在以上几种情况下进程调度可以解释为在下面几

个状态中进行切换。

进程调度的流程如图1所示。

图1 进程调度的流程图

图1的转换条件如下：

（1）调度；（2）时间片用完；（3）跟踪并调度；

（4）退出；（5）收到信号并醒来；（6）等待资源

到位再调度；（7）等待资源到位再调度；（8）等待

资源到位；（9）资源到位或收到信号。

3 普通进程调度算法的分析

3.1 按进程调度的算法分析

Schedulue()是按进程调度算法的主要函数，

是系统的核心函数。它的核心代码如下：

next=idle_task(this_cpu);

电子科技 2005年第9期（总第192期）

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LINUX 进程调度算法的分析

IT Age/ Sep. 15, 2005

22c=-1000;

list_for_each(tmp,&runqueue_head)

{

p=list_entry(tmp, struct task_struct, run_list);

if(can_schedule(p, this_cpu))

{

int weight =

goodness(p , this_cpu, prev->active_mm);

if(weight>c)

c=weight, next=p;

}

}

这种算法是对可运行队列中的进程进行一次遍历，拿当前进程的权值和其余进程的权值进行比较。初始的权值为c =－1000，这只有在可运行队列为空时才成立，其他进程的权值（weight ）是由goodness()函数计算出来的。当队列中某个进程的权值最大且大于当前进程的权值时，系统就把CPU 的占有权让给这个进程，否则当前进程继续占有CPU 。

这种算法在用户拥有的进程数相差不大时，可以提高系统效率。但在各用户进程数相差悬殊时，就会产生某些拥有很少进程的用户的“饥饿感”并

加大进程调度的不公平性。举个例子——例如A ，B 两个用户，A 用户开了99个进程，B 用户只开了1个进程，根据按进程的调度算法，CPU 的时间是平均分配给每个进程的，因此系统将大部分的CPU 时间分配给了A 用户，而B 用户得到的CPU 时间只有1％。所以B 用户一定感到很不公平。 3.2 按用户调度的算法分析

算法流程如图2所示。图中标号含义如下： （1）遍历所有用户结构，并把move_task 置空； （2）访问每一个进程；

（3）判断进程所属用户的CPU 时间是否为0； （4）重新计算该进程的counter 值； （5）判断是否遍历完了所有的进程； （6）访问每一个用户；

（7）判断此用户的CPU 时间是否为0； （8）把该用户放到可运行队列尾部； （9）重新计算该用户的CPU 时间； （10）判断是否遍历完了所有用户； （11）结束算法。

图2 算法流程图

算法中的用户结构如下： struct user_struct {

atomic_t count; atomic_t processes; atomic_t files; struct user_struct *next, **pprev; uid_t uid; struct user_struct *our_next ，*our_prev; //遍历用户结构时所需的两个指针 struct task_struct *move_task; //保存当前进程信息的指针

long cpu_ticks; //用户实际拥有CPU 时间的变量 }

这种算法是以用户为单位来分配CPU 的占用时间在用户拥有进程数相差很大时，可以有效的提高调度的公平性。但在用户拥有的进程数相差不大时，就会因为多余的循环而使系统效率下降。

我们假设有两个用户分别拥有M 和N 个进程，对以上两种算法进行了，如表1。

表1 两种算法比较

运行状态两用户瞬时CPU 占用之比

进程瞬时占用率之比

进程占用CPU 时间之比

按进程调度算法 M 个进程M :N 1:1 1:1 按用户调度算法

N 个进程

1:1

N :M 1:1