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[经验分享] linux进程调度之 FIFO 和 RR 调度策略

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发表于 2015-12-9 15:51:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
    作者：manuscola.bean@gmail.com

int sched_setscheduler (pid_t pid,
                        int policy,
                        const struct sched_param *sp);



     sched_setscheduler函数的第二个参数调度方法 ：



  • #define SCHED_OTHER 0

  • #define SCHED_FIFO 1
  • #define SCHED_RR 2
  • #ifdef __USE_GNU
  • # define SCHED_BATCH 3
  • #endif
    SCHED_OTHER表示普通进程，对于普通进程，第三个参数sp->sched_priority只能是0
   SCHED_FIFO 和SCHED_RR表示实时进程的调度策略，第三个参数的取值范围为[1,99]。
   如果sched_setscheduler 优先级设置的值和调度策略不符合的话，会返回失败的。


   内核中有这么一段注释：


  • /*

  •      * Valid priorities for SCHED_FIFO and SCHED_RR are
  •      * 1..MAX_USER_RT_PRIO-1, valid priority for SCHED_NORMAL,
  •      * SCHED_BATCH and SCHED_IDLE is 0.
  •      */
    LINUX系统提供了其他的系统调用来获取不同策略优先级的取值范围：



  • #include

  • int sched_get_priority_min (int policy);
  • int sched_get_priority_max (int policy);



    另外需要指出的一点是，应用层和内核层的优先级含义是不同的：
   首先说实时进程：实时进程的优先级设置可以通过sched_setsheduler设置，也可以通过sched_setparam设置优先级的大小。

  • int sched_setparam (pid_t pid, const struct sched_param *sp);
    在用户层或者应用层，1表示优先级最低，99表示优先级最高。但是在内核中，[0,99]表示的实时进程的优先级，0最高，99最低。[100,139]是普通进程折腾的范围。应用层比较天真率直，就看大小，数字大，则优先级高。ps查看进程的优先级也是如此。有意思的是，应用层实时进程最高优先级的99，在ps看进程优先级的时候，输出的是139.


    下面是ps -C test -o pid,pri,cmd,time,psr 的输出：

  • PID   PRI  CMD             TIME     PSR

  • 6303 139 ./test 1 99  00:00:04       1
    虽说本文主要讲的是实时进程，但是需要插句话。对于普通进程，是通过nice系统调用来调整优先级的。从内核角度讲[100,139]是普通进程的优先级的范围，100最高，139最低，默认是120。普通进程的优先级的作用和实时进程不同，普通进程优先级表示的是占的CPU时间。深入linux内核架构中提到，普通优先级越高（100最高，139最低），享受的CPU time越多，相邻的两个优先级，高一级的进程比低一级的进程多占用10%的CPU，比如内核优先级数值为120的进程要比数值是121的进程多占用10%的CPU。


    内核中有一个数组：prio_to_weight[20]表示的是默认优先级120的权重，数值为1024，prio_to_weight[21]表示nice值为1，优先级为121的进程的权重，数值为820。这就到了CFS的原理了




  • static const int prio_to_weight[40] = {

  • /* -20 */     88761,     71755,     56483,     46273,     36291,
  • /* -15 */     29154,     23254,     18705,     14949,     11916,
  • /* -10 */      9548,      7620,      6100,      4904,      3906,
  • /*  -5 */      3121,      2501,      1991,      1586,      1277,
  • /*   0 */      1024,       820,       655,       526,       423,
  • /*   5 */       335,       272,       215,       172,       137,
  • /*  10 */       110,        87,        70,        56,        45,
  • /*  15 */        36,        29,        23,        18,        15,
  • };

    假如有1台电脑，10个人玩，怎么才公平。
    1 约定好时间片，每人玩1小时，玩完后记账，张XX 1小时，谁玩的时间短，谁去玩
    2 引入优先级的概念，李四有紧急情况，需要提高他玩电脑的时间，怎么办，玩1个小时，记账半小时，那么同等情况下，李四会比其他人被选中玩电脑的频率要高，就体现了这个优先级的概念。
    3  王五也有紧急情况，但是以考察，不如李四的紧急，好吧，玩1个小时，记账45分钟。
    4  情况有变化，听说这里有电脑，突然又来了10个人，如果按照每人玩1小时的时间片，排在最后的那哥们早就开始骂人了，怎么办？时间片动态变化，根据人数来确定时间片。人越多，每个人玩的时间越少，防止哥们老捞不着玩，耐心耗尽，开始骂人。


    这个记账就是我们prio_to_weight的作用。我就不多说了，prio_to_weight[20]就是基准，玩一小时，记账一小时，数组20以前的值是特权一级，玩1小时记账20分钟之类的享有特权的，数组20之后是倒霉蛋，玩1小时，记账1.5小时之类的倒霉蛋。 CFS这种调度好在大家都能捞着玩。


    扯到优先级多说了几句，现在回到正题。我将上面的C程序编译成可执行程序test，然后写了一个脚本comp.sh。



  • [iyunv@localhost sched]# cat comp.sh
  • #/bin/sh


  • ./test $1 99 &
  • usleep 1000;
  • ./test $1 70 &
  • usleep 1000;

  • ./test $1 70 &
  • usleep 1000;

  • ./test $1 70 &
  • usleep 1000;

  • ./test $1 50 &
  • usleep 1000;
  • ./test $1 30 &
  • usleep 1000;
  • ./test $1 10 &
       因为test进程有sleep 2秒，所以可以给comp.sh启动其他test的机会。可以看到有 99级（最高优先级）的实时进程，3个70级的实时进程，50级，30级，10级的各一个。
      对于FIFO而言，一旦sleep过后，高优先级运行，低优先级是没戏运行的，同等优先级的进程，先运行的不运行完，后运行的也没戏。
     对于RR而言，高优先级的先运行，同等优先级的进程过家家，你玩完，我玩，我玩完你再玩，每个进程耗费一个时间片的时间。对于Linux，RR时间片是100ms：



  • #define DEF_TIMESLICE        (100 * HZ / 1000)
  
    下面我们验证： 我写了两个观察脚本，来观察实时进程的调度情况：


    第一个脚本比较简单，观察进程的CPU 占用的time，用ps工具就可以了：


  • [iyunv@localhost sched]# cat getpsinfo.sh
  • #!/bin/sh

  • for((i = 0; i < 40; i++))
  • do
  •     ps -C test -o pid,pri,cmd,time,psr >>psinfo.log 2>&1
  •     sleep 2;
  • done
    第二个脚本比较复杂是systemtap脚本，观察名字为test的进程相关的上下文切换，谁替换了test，或者test替换了谁，同时记录下test进程的退出：




  • [root@localhost sched]# cat cswmon_spec.stp


  • global time_offset
  • probe begin { time_offset = gettimeofday_us() }

  • probe scheduler.ctxswitch {
  •     if(next_task_name == "test" ||prev_task_name == "test")
  •     {
  •          t = gettimeofday_us()
  •          printf(" time_off (%8d )%20s(%6d)(pri=%4d)(state=%d)->%20s(%6d)(pri=%4d)(state=%d)\n",
  •                   t-time_offset,
  •                   prev_task_name,
  •                   prev_pid,
  •                   prev_priority,
  •                   (prevtsk_state),
  •                   next_task_name,
  •                   next_pid,
  •                   next_priority,
  •                   (nexttsk_state))
  •     }
  • }


  • probe scheduler.process_exit
  • {
  •     if(execname() == "test")
  •     printf("task :%s PID(%d) PRI(%d) EXIT\n",execname(),pid,priority);
  • }

  • probe timer.s($1) {
  •     printf("--------------------------------------------------------------\n")
  •         exit();
  • }
   


A)    FIFO调度策略的输出：


  • 终端1 ：
  • stap ./cswmon_spec.stp 70

  • 终端2 ：
  • ./getpsinfo.sh

  • 终端3
  • ./comp.sh 1
输出结果如下：
DSC0000.png



    99优先级跑完了，才轮到70优先级，但是虽说有3个70优先级，但是先跑的那个进程跑完了，第二个优先级为70的才能跑。因为输出结果用代码无法漂亮的展示，所以我截了图，截图又不能把这个输出都截下来，所以我很蛋疼。有需要结果的，我以附件形式附在最后。


    看下第二个脚本的输出：


  • time_off (  689546 )                test(  6305)(pri= 120)(state=0)->         migration/2(    11)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  689977 )                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)->                test(  6305)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  690067 )                test(  6305)(pri=  29)(state=1)->                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  697899 )                test(  6303)(pri= 120)(state=0)->         migration/2(    11)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  698042 )                test(  6307)(pri= 120)(state=0)->         migration/0(     3)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  699114 )                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)->                test(  6303)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  699307 )                test(  6303)(pri=   0)(state=1)->                test(  6307)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  699371 )                test(  6307)(pri=  29)(state=1)->                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  699392 )                test(  6309)(pri= 120)(state=0)->         migration/3(    15)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  699966 )            events/1(    20)(pri= 120)(state=1)->                test(  6309)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  700034 )                test(  6309)(pri=  29)(state=1)->                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  707379 )                test(  6311)(pri= 120)(state=0)->         migration/3(    15)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  707587 )                test(  6313)(pri= 120)(state=0)->         migration/0(     3)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  712021 )                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)->                test(  6311)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  712145 )                test(  6311)(pri=  49)(state=1)->                test(  6313)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  712252 )                test(  6313)(pri=  69)(state=1)->                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  727057 )                test(  6315)(pri= 120)(state=0)->         migration/0(     3)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (  727952 )                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)->                test(  6315)(pri= 120)(state=0)
  • time_off (  728047 )                test(  6315)(pri=  89)(state=1)->                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)
  • time_off ( 2690181 )                stap(  5895)(pri= 120)(state=0)->                test(  6305)(pri=  29)(state=0)
  • time_off ( 2699316 )                test(  6305)(pri=  29)(state=0)->                test(  6303)(pri=   0)(state=0)
  • task :test PID(6303) PRI(0) EXIT
  • time_off (13057854 )                test(  6303)(pri=   0)(state=64)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (13057864 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6305)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15333340 )                test(  6305)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (15333354 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6305)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (18743409 )                test(  6305)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (18743422 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6305)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (22154757 )                test(  6305)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (22154771 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6305)(pri=  29)(state=0)
  • task :test PID(6305) PRI(29) EXIT
  • time_off (22466855 )                test(  6305)(pri=  29)(state=64)->                test(  6307)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (25563548 )                test(  6307)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (25563566 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6307)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (28973602 )                test(  6307)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (28973616 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6307)(pri=  29)(state=0)
  • task :test PID(6307) PRI(29) EXIT
  • time_off (31846121 )                test(  6307)(pri=  29)(state=64)->                test(  6309)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (32383671 )                test(  6309)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (32383683 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6309)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (35793735 )                test(  6309)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (35793747 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6309)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (39203797 )                test(  6309)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (39203809 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6309)(pri=  29)(state=0)
  • task :test PID(6309) PRI(29) EXIT
  • time_off (41200440 )                test(  6309)(pri=  29)(state=64)->                test(  6311)(pri=  49)(state=0)
  • time_off (42613866 )                test(  6311)(pri=  49)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (42613898 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6311)(pri=  49)(state=0)
  • time_off (46024070 )                test(  6311)(pri=  49)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (46024082 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6311)(pri=  49)(state=0)
  • time_off (49434004 )                test(  6311)(pri=  49)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (49434017 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6311)(pri=  49)(state=0)
  • task :test PID(6311) PRI(49) EXIT
    可以清楚的可到，同样是70优先级（内核态是29），6305退出以前，6307根本就捞不着跑。同样6307退出一样，6309根本就捞不着跑。这就是FIFO。


B) RR的情况



  • 终端1 ：
  • stap ./cswmon_spec.stp 70

  • 终端2 ：
  • ./getpsinfo.sh

  • 终端3
  • ./comp.sh 1
DSC0001.png




    实时优先级是70的三个进程齐头并进。再看第二个脚本的输出：



  • time_off ( 4188015 )                test(  6428)(pri=   0)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off ( 4188025 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6428)(pri=   0)(state=0)
  • time_off ( 7612014 )                test(  6428)(pri=   0)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off ( 7612024 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6428)(pri=   0)(state=0)
  • task :test PID(6428) PRI(0) EXIT
  • time_off (10679062 )                test(  6428)(pri=   0)(state=64)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (10964413 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (10964422 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (11709024 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (12736030 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (13779022 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (13879021 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (13984075 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14084020 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14184023 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14284024 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14374486 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=0)
  • time_off (14374502 )          watchdog/1(    10)(pri=   0)(state=1)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14384097 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14484066 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14584023 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14684020 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14786032 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14886020 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (14986026 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15089023 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15192030 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15292026 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15396085 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15496022 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15596027 )                test(  6434)(pri=  29)(state=0)->                test(  6430)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15696153 )                test(  6430)(pri=  29)(state=0)->                test(  6432)(pri=  29)(state=0)
  • time_off (15796022 )                test(  6432)(pri=  29)(state=0)->                test(  6434)(pri=  29)(state=0)
    用户态实时优先级为99，内核态优先级为0的进程6428退出后，3个用户态实时优先级为70的进程6430，6432，6434你方唱罢我登场，每个人都"唱"多久呢？看相邻2条记录的时间差，基本都在100ms左右，这就是时间片。


    后记：如果放开绑定到一个CPU的限制，同时加大实时进程的个数，多个实时进程在CPU之间PULL和PUSH，是更复杂的情况，呵呵，希望抛砖引玉，能有人模拟下这种情况。


    附件为测试代码及输出：
    study_sched.txt   




参考文献
1 深入linux 内核架构
2 linux system program
3 systemtap example

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