探索Linux处理机调度之美

1. Linux处理机调度简介

处理机调度是操作系统中非常重要的一个组成部分，它负责将处理机分配给不同的进程，以便实现任务的并发执行和资源的合理利用。而Linux作为一种开源的操作系统，其处理机调度算法一直备受关注和研究。

2. Linux处理机调度算法的分类

2.1. 非抢占式调度算法

非抢占式调度算法是指一旦进程获得处理机后，就可以一直运行直到自己主动释放处理机。其中最常用的一种非抢占式调度算法是First-Come, First-Served(FCFS)算法。

/* FCFS算法示例代码 */

void FCFS()
{
    int n = get_process_number(); // 获取待调度的进程数
    int burst_time[n];
    // 获取每个进程的执行时间
    for(int i=0; i
    {
        burst_time[i] = get_burst_time(i);
    }
    
    int completion_time[n];
    int turn_around_time[n];
    int waiting_time[n];
    
    completion_time[0] = burst_time[0];
    
    for(int i=1; i
    {
        completion_time[i] = completion_time[i-1] + burst_time[i];
        turn_around_time[i] = completion_time[i] - arrival_time[i];
        waiting_time[i] = turn_around_time[i] - burst_time[i];
    }
}

上述代码中，我们使用了First-Come, First-Served(FCFS)算法进行进程调度。其中，每个进程的执行时间存储在数组burst_time中，通过循环计算出每个进程的完成时间、周转时间和等待时间，并分别存储在数组completion_time、turn_around_time和waiting_time中。

2.2. 抢占式调度算法

与非抢占式调度算法不同，抢占式调度算法允许正在执行的进程被其他具有更高优先级的进程抢占。Linux中最常用的抢占式调度算法是基于时间片的调度算法，例如Round Robin（RR）调度算法。

/* Round Robin调度算法示例代码 */

void RoundRobin()
{
    int n = get_process_number(); // 获取待调度的进程数
    int burst_time[n];
    // 获取每个进程的执行时间
    for(int i=0; i
    {
        burst_time[i] = get_burst_time(i);
    }
    
    int quantum = get_quantum(); // 获取时间片大小
    
    int remaining_time[n];
    memcpy(remaining_time, burst_time, n * sizeof(int));
    
    int time = 0; // 当前时间
    int completed = 0; // 已完成的进程数
    
    while(completed < n)
    {
        for(int i=0; i
        {
            if(remaining_time[i] > 0)
            {
                int execution_time = min(remaining_time[i], quantum);
                remaining_time[i] -= execution_time;
                time += execution_time;
                
                if(remaining_time[i] == 0)
                {
                    completed++;
                }
            }
        }
    }
}

上述代码中，我们使用了Round Robin（RR）调度算法进行进程调度。其中，每个进程的执行时间存储在数组burst_time中，时间片的大小通过调函数get_quantum获取。通过循环遍历进程，每次从数组remaining_time中减去时间片的大小，直到所有进程的remaining_time均为0，即所有进程执行完毕。

3. Linux处理机调度算法的美

Linux处理机调度算法的美在于其灵活性和可调节性。Linux内核提供了许多可选的调度算法，如CFS（Completely Fair Scheduler）、O(1)调度器等。而且，Linux用户可以根据自己的需求和系统特点来选择最适合的调度算法。

另外，Linux处理机调度算法还可以根据不同的环境和应用场景进行优化。例如，在服务器环境下，通常需要通过调度算法来实现公平的资源分配；而在嵌入式系统中，可能更注重实时性和响应性，需要采用相应的调度算法。

3.1. Linux的CFS调度算法

CFS是Linux内核中默认的调度算法，它的设计目标是实现完全公平调度。CFS将系统中的进程看作是一个多任务的线性任务集合，通过使用红黑树来管理进程，并根据进程的虚拟运行时间进行调度。

每个进程的虚拟运行时间是相对于时间的概念，而不是实际的运行时间。CFS将系统中所有可运行的进程映射到红黑树中，树的顶端为运行时间最小的进程。CFS会根据进程的运行时间动态调整其优先级，以实现公平的资源分配。在每次调度时，CFS会选取运行时间最小的进程来执行。

3.2. Linux的O(1)调度器

O(1)调度器是Linux内核中一种基于时间片的调度算法，其设计目标是提高调度器的性能。O(1)调度器通过使用进程抢占的方式来实现公平的调度。

在O(1)调度器中，每个进程都有一个动态优先级（dynamic priority）和一个静态优先级（static priority）。调度器会根据进程的动态优先级来调度进程。当一个进程的时间片用完后，O(1)调度器会将其动态优先级降低，以便给其他进程更多的执行机会。同时，O(1)调度器还使用了分层反馈队列的概念，以便更好地处理不同优先级的进程。

4. 总结

Linux处理机调度算法的美在于其灵活性和可调节性，以及对不同环境和应用场景的优化。通过选择合适的调度算法，Linux能够实现公平的资源分配和高效的任务调度。此外，Linux内核还提供了多种调度算法可供选择，如CFS和O(1)调度器等，用户可以根据自己的需求选择合适的调度算法。