linux和UNIX调度算法比较分析

Linux与UNIX进程调度策略的比较分析

崔洪星

（华中科技大学机械科学与工程学院 M201170270）

摘要：文章先是阐述了进程调度策略的引入、概念、分类和原则，接着就Linux和UNIX不同操作系统的进程策略进行了描述，最后比较得出结论。

1.进程调度概述

当计算机是多道程序设计系统时，通常会有多个进程竞争CPU。当多个处于就绪态而只有一个CPU时，操作系统就必须决定运行哪一个进程。操作系统中做出这种决定的部分称为调度器。它使用的算法称为调度算法。通常进程调度的功能应由以下3部分组成：

（1）确定调度时机

（2）执行调度算法（确定调度策略、计算优先级），即选择哪些

进程运行。

（3）完成调度过程的具体操作，主要是原来运行的进程退出CPU,保护退出进程的运行现场，选中进程占用CPU,恢复选中进程的运行现场。

进程调度分为两大类：一类是抢占式（剥夺式），系统中出现优先权高的可运行进程，立即让它执行；另一类是非抢占式（非剥夺式），系统中即使出现优先权高的可运行进程，也要等到调度时机出现时，才让它运行。

非抢占式的进程调度时机分为两种情况:进程自动放弃CPU和进程由核心态转入用户态。

（1）进程自动放弃CPU有以下几种情况:

●进程已完成（虽然时间片未用完）；

●进程等待某事件（如I/0，等待资源，……）；

●时间片用完；

●进程需要与其他进程保持同步；

●……

（2）进程由核心态转入用户态时系统产生一次调度，将最高优先权的就绪进程投入运行。

不同的环境需要不同的调度算法，这是因为不同的应用领域有不同的目标。换句话说，在不同的系统中，调度器的优化目标是不同的。为了设计一个调度算法，应当首先明确一个好的调度算法必须做什么。一些目标是根据环境（批处理、交互式或实时）设定的，而另外一些目标是在各种情况下都使用的。公平在所有的情况下，都是非常重要的，相对于处于同等地位的进程而言，给予一个进程更多的CPU时间是不公平的。当然，不同种类的进程应该得到不同的处理。

下面将对Linux和UNIX进程的调度原理分别进行讨论。

2.Linux 进程调度原理

调度程序运行时，要在所有可运行状态的进程中选择最值得运行的进程投入运行。选择进程的依据是什么呢？在每个进程的task_struct 结构中有以下四项：policy、priority、counter、rt_priority。这四项是选择进程的依据。其中，policy是进程的调度策略，用来区分实时进程和普通进程，实时进程优先于普通进程运行；priority是进程(包括实时和普通)的静态优先级；counter是进程剩余的时间片，它的起始值就是priority的值；由于counter在后面计算一个处于可运行状态的进程值得运行的程度goodness时起重要作用，因此，counter 也可以看作是进程的动态优先级。rt_priority是实时进程特有的，用于实时进程间的选择。

Linux用函数goodness()来衡量一个处于可运行状态的进程值得运行的程度。该函数综合了以上提到的四项，还结合了一些其他的因素，给每个处于可运行状态的进程赋予一个权值(weight)，调度程序以这个权值作为选择进程的唯一依据。关于goodness()的情况在后面将会详细分析。

linux内核的三种调度方法

① SCHED_OTHER 分时调度策略，

② SCHED_FIFO实时调度策略，先到先服务

③ SCHED_RR实时调度策略，时间片轮转

实时进程将得到优先调用，实时进程根据实时优先级决定调度权值，分时进程则通过nice和counter值决定权值，nice越小，counter 越大，被调度的概率越大，也就是曾经使用了cpu最少的进程将会得到优先调度。

SHCED_RR和SCHED_FIFO的不同：

当采用SHCED_RR策略的进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR 任务的调度公平。

SCHED_FIFO一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃。

如果有相同优先级的实时进程（根据优先级计算的调度权值是一样的）已经准备好，FIFO时必须等待该进程主动放弃后才可以运行这个优先级相同的任务。而RR可以让每个任务都执行一段时间。

当policy分别为以下值时：

1) SCHED_OTHER：这是普通的用户进程，进程的缺省类型，采用动态优先调度策略，选择进程的依据主要是根据进程goodness值的大小。这种进程在运行时，可以被高goodness值的进程抢先。

2) SCHED_FIFO：这是一种实时进程，遵守POSIX1.b标准的FIFO(先入先出)调度规则。它会一直运行，直到有一个进程因I/O阻塞，或者主动释放CPU，或者是CPU被另一个具有更高rt_priority的实时进程抢先。在Linux实现中，SCHED_FIFO进程仍然拥有时间片-只有当时间片用完时它们才被迫释放CPU。因此，如同POSIX1.b一样，这样的进

程就象没有时间片(不是采用分时)一样运行。Linux中进程仍然保持对其时间片的记录（不修改counter）主要是为了实现的方便，同时避免在调度代码的关键路径上出现条件判断语句 if (！(current->；；policy&；；SCHED_FIFO)){...}-要知道，其他大量非FIFO进程都需要记录时间片，这种多余的检测只会浪费CPU资源。（一种优化措施，不该将执行时间占10%的代码的运行时间减少到50%；而是将执行时间占90%的代码的运行时间减少到95%。0.9+0.1*0.5=0.95>；；

0.1+0.9*0.9=0.91）

3) SCHED_RR：这也是一种实时进程，遵守POSIX1.b标准的RR(循环round-robin)调度规则。除了时间片有些不同外，这种策略与SCHED_FIFO类似。当SCHED_RR进程的时间片用完后，就被放到SCHED_FIFO和SCHED_RR队列的末尾。

只要系统中有一个实时进程在运行，则任何SCHED_OTHER进程都不能在任何CPU运行。每个实时进程有一个rt_priority，因此，可以按照rt_priority在所有SCHED_RR进程之间分配CPU。其作用与SCHED_OTHER进程的priority作用一样。只有root用户能够用系统调用sched_setscheduler，来改变当前进程的类型(sys_nice，sys_setpriority)。

3.UNIX进程调度策略

3.1 调度算法原理

UNIX的调度策略基于优先数pri。特点是pri动态改变，核心态（kernel）进程不可剥夺，用户态（user mode）进程可剥夺。其中：0<=pri<=127, [0,49] ∈kernel,[50,127] ∈user mode proc 中，关于pri的信息有： p-pri当前调度使用的pri；

p-usrpri用户态下的pri；

p-cpu 当前使用CPU的程度；