1　前言

處理機(CPU)是整個計算機系統(tǒng)的核心資源，在多進程的操作系統(tǒng)中，進程數往往多于處理機數，這將導致各進程互相爭奪處理機。進程調度對系統(tǒng)功能的實現 及各方面的性能都有著決定性的影響，其實質就是把處理機公平、合理、高效地分配給各個進程。調度是實現多任務并發(fā)執(zhí)行的必要手段，不同的操作系統(tǒng)有著不同 的調度目標。在傳統(tǒng)的Unix類分時系統(tǒng)中，保證多個進程公平地使用系統(tǒng)資源，提供較好的響應時間是調度的主要目標;而在強實時操作系統(tǒng)中，總是優(yōu)先級高 的任務優(yōu)先獲得處理機的使用權。

Linux具有內核穩(wěn)定、功能強大、可裁減、低成本等特點，非常適合嵌入式應用。但是Linux內核本身并不具備 強實時特性，且內核體積較大，因此，想要把Linux用于嵌入式系統(tǒng)，必須對Linux進行實時化、嵌入式化。Linux結合實時進程和非實時進程(普通 進程)自身的特點，綜合了上述幾種調度策略，實現了高效、靈活的進程調度。

2　Linux進程調度分析

2.1　Linux進程狀態(tài)的描述

Linux將進程狀態(tài)描述為如下五種：

TASK_RUNNING：可運行狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程可以被調度執(zhí)行而成為當前進程。

TASK_INTERRUPTIBLE：可中斷的睡眠狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程在所需資源有效時被喚醒，也可以通過信號或定時中斷喚醒。

TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中斷的睡眠狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程僅當所需資源有效時被喚醒。

TASK_ZOMBIE：僵尸狀態(tài)。表示進程結束且已釋放資源，但其task_STruct仍未釋放。

TASK_STOPPED：暫停狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進程通過其他進程的信號才能被喚醒。

2　調度方式

Linux中的每個進程都分配有一個相對獨立的虛擬地址空間。該虛存空間分為兩部分：用戶空間包含了進程本身的代碼和數據;內核空間包含了操作系統(tǒng)的代碼和數據。

Linux采用“有條件的可剝奪”調度方式。對于普通進程，當其時間片結束時，調度程序挑選出下一個處于TASK_RUNNING狀態(tài)的進程作為當前進程 (自愿調度)。對于實時進程，若其優(yōu)先級足夠高，則會從當前的運行進程中搶占CPU成為新的當前進程(強制調度)。發(fā)生強制調度時，若進程在用戶空間中運 行，就會直接被剝奪CPU;若進程在內核空間中運行，即使迫切需要其放棄CPU，也仍要等到從它系統(tǒng)空間返回的前夕才被剝奪CPU。

3 調度策略

3.1　三種調度策略

(1)SCHED_OTHER。SCHED_OTHER是面向普通進程的時間片輪轉策略。采用該策略時，系統(tǒng)為處于TASK_RUNNING狀態(tài)的每個進程分配一個時間片。當時間片用完時，進程調度程序再選擇下一個優(yōu)先級相對較高的進程，并授予CPU使用權。

(2)SCHED_FIFO。SCHED_FIFO策略適用于對響應時間要求比較高，運行所需時間比較短的實時進程。采用該策略時，各實時進程按其進入可 運行隊列的順序依次獲得CPU。除了因等待某個事件主動放棄CPU，或者出現優(yōu)先級更高的進程而剝奪其CPU之外，該進程將一直占用CPU運行。

(3)SCHED_RR。SCHED_RR策略適用于對響應時間要求比較高，運行所需時間比較長的實時進程。采用該策略時，各實時進程按時間片輪流使用CPU。當一個運行進程的時間片用完后，進程調度程序停止其運行并將其置于可運行隊列的末尾。

3.2 　進程調度依據

Linux只有一個可運行隊列，處于TASK_RUNNING狀態(tài)的實時進程和普通進程都加入到這個可運行隊列中。Linux的進程調度采用了動態(tài)優(yōu)先級 和權值調控的方法，既可實現上述三種調度策略，又能保證實時進程總是比普通進程優(yōu)先使用CPU。描述進程的數據結構task_struct中用以下幾個數 據作為調度依據：

Struct task_struct {

……

volaTIle lONg need_resched; /*是否需要重新調度*/long counter; /*進程當前還擁有的時間片*/

long nice; /*普通進程的動態(tài)優(yōu)先級，來自UNIX系統(tǒng)*/unsigned long policy; /*進程調度策略*/

unsigned long rt_priority; /*實時進程的優(yōu)先級*/……

};

counter的值是動態(tài)變化的，進程運行時，每一個時鐘滴答后，其值減1。當counter值為0時，表示該進程時間片已用完，該進程回到可運行隊列中，等待再次調度。

為保證實時進程優(yōu)于普通進程，Linux采取加權處理法。在進程調度過程中，每次選取下一個運行進程時，調度程序首先給可運行隊列中的每個進程賦予一個權 值weight。普通進程的權值就是其counter和優(yōu)先級nice的綜合，而實時進程的權值是它的rt_priority的值加1000，確保實時進 程的權值總能大于普通進程。調度程序檢查可運行隊列中所有進程的權值，選取權值最大者作為下一個運行進程，保證了實時 進程優(yōu)先于普通進程獲得CPU。 Linux使用內核函數goodness()對進程進行加權處理：

StaTIc inline goodness (struct task_struct * pint this_cpu， struct mm_struct *this_mm){

Int weight;

Weight=-1;

/*判斷如果任務的調度策略被置為SCHED_YIELD的話，則置權值為-1，返回。系統(tǒng)調用SCHED_YIELD表示為“禮讓”進程，其權值為最低*/If (p-》policy & SCHED_YIELD)

goto out;

/*先對普通進程進行處理(由于多數是普通進程，這樣做有利于提高系統(tǒng)效率)*/If (p-》policy==SCHED_OTHER){

weight=p-》counter; /*返回權值為進程的counter值*//*如果當前進程的counter為0，則表示當前進程的時間片已用完，直接返回*/If (! weight)[!--empirenews.page--]

Goto out;

#Ifdef CONFIG_SMP

If (p-》processor==this_cpu)

Weight+=PROC_CHANGE_PENALTY;

#Endif

/*對進程權值進行微調，如果進程的內存空間使用當前正在運行的進程的內存空間，則權值額外加1*/If (p-》mm==this_mm||! p-》mm)

Weight+=1;

/*將權值加上20與進程優(yōu)先級nice的差。普通進程的權值主要由counter值和nice值組成*/Weight+=20-p-》nice;

Goto out;

}

/*對實時進程進行處理，返回權值為rt_priority+1000，確保優(yōu)先級高于普通進程*/Weight=1000+p-》rt_priority;

Out：

return weight;

}

從goodness()函數可以看出，對于普通進程，其權值主要取決于剩余的時間配額和nice兩個因素。nice的規(guī)定取值范圍為19～-20，只有特 權用戶才能把nice值設為負數，而表達式(20-p-》nice)掉轉方向成為1～40。所以，綜合的權值在時間片尚未用完時基本上是兩者之和。 如果是內核進程，或者其用戶空間與當前進程相同，則權值將額外加1作為獎勵。對于實時進程，其權值為1000+p-》rt_priority，當 p-》counter達到0時該進程將移到隊列的尾部，但其優(yōu)先級仍不少于1000?？梢姰斢袑崟r進程就緒時，普通進程是沒機會運行的。

由此可以看出，通過goodness()函數，Linux從優(yōu)先考慮實時進程出發(fā)，實現了多種調度策略的統(tǒng)一處理，其設計思想可謂非常巧妙。

3.3 進程調度

Linux的進程調度由調度程序schedule()完成，通過對schedule()的分析能更好理解調度的過程。schedule()首先判斷當前運行進程是否具有SCHED_RR 標志，本文取一部分加以分析：

if (prev-》policy==SCHED_RR) /*如果是輪轉調度，先作goto特殊處理*/Goto move_rr_last;

……

Move_rr_last：

If (! prev-》counter){ /*如果counter減至0*/Prev-》counter=NICE_TO_TICKS (prev-》nice);Move_last_runqueue (prev);

}

Goto move_rr_back;

prev-》counter代表當前進程的運行時間配額，其值逐漸減小。一旦減至0，就要從可執(zhí)行隊列runqueue中當前的位置移到末尾，宏操 作NICE_TO_TICKS根據系統(tǒng)時鐘的精度將進程的優(yōu)先級別換算成可以運行的時間配額，即恢復其初始的時間配額。把該進程移到末尾意味著：如果沒有 權值更高的進程，但是有一個權值與這相同的進程存在，那么，那個權值相同而排列在前的進程就會被選中，從而顧全了大局。

接下來調度函數查詢當前運行進程的狀態(tài)是否改變：

Move_rr_back：

switch(prev-》state){ /*查看進程當前的狀態(tài)*/Case TASK_INTERRUPTIBLE：

if (signal pending(prev)){ /*判斷運行期間是否收到信號*/Prev-》state=TASK_RUNNING;

Break;

}

default： /*當前運行進程處于非TASK_RUNNING狀態(tài)*/Del_from_runqueue (prev);

Case TASK_RUNNING：

}

Prev-》need_resched=0;

容易理解：如果發(fā)現進程處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)且有信號等待處理，則內核將其狀態(tài)設為TASK_RUNNING，讓其處理完信號， 接下來仍有機會獲得CPU;如果沒有信號等待，則將其從可運行隊列中撤下來;如果處于TASK_RUNNING狀態(tài)，則繼續(xù)進行。然后，將 prev-》need_resched的值恢復成0，因為所需的調度已經在運行。

Repeat schedule ()：

next=idle_task(this_cpu); /*next指向最佳候選進程*/c=-1000; 　/*進程的綜合權值，初始時是0號進程，-1000是可能的最低值*/If (prev-》state==TASK_RUNNING)

Goto still_running;

Still_running_back：

List_for_each (tmp， &runqueue_head){

P=list_entry (tmp， struct task_struct， run_list);if (can_schedule(p，this_cpu)){ /*計算p指向的進程的權值*/Int weight=goodness (p， this_cpu， prev-》active_mm);if (weight》c) /*比較權值大小*/

C=weight， next=p;

}

}

調度之前，將待調度的進程默認為0號進程，權值置為-1000。0號進程比較特別，既不會睡眠，又不能被殺死。接下來內核遍歷可執(zhí)行隊列run queue中的每個進程，為每個進程通過goodness()函數計算出它當前所具有的權值，然后與當前的最高值c相比。如果兩個進程具有相同權值的話， 那么排在前面的進程勝出。

Still_running：

C=goodness (prev， this_cpu， prev-》active_mm);Next=prev;

Goto still_running_back;

上面的代碼告訴我們，如果當前進程想要繼續(xù)運行，那么在挑選進程時以當前進程此刻的權值開始。這意味著，相對于權值相同的其他進程來說，當前進程優(yōu)先。

若發(fā)現當前已選進程的權值為0，則需要重新計算各個進程的時間配額，schedule()將轉入recalculate部分。限于篇幅，在此不再展開。

3 結束語

以上結合代碼簡要介紹了Linux中進程調度的基本思想、依據和策略，容易發(fā)現Linux高效率和較強支持并發(fā)進程等特點。近年來，嵌入式Linux的研 究正在成為一個熱點，理解Linux進程調度的原理，并在此基礎上改進調度算法可能存在的缺陷，可以進一步增強其對實時性的支持，使之進一步適應在嵌入式 系統(tǒng)領域內的應用。