深入探讨Linux的进程调度器

Linux操作系统作为一个开源且广泛应用的操作系统，其内核设计包含了许多核心功能，而进程调度器（Scheduler）就是其中一个至关重要的模块。进程调度器负责决定在任何给定的时刻哪个进程可以运行，以及其运行的顺序。这篇文章将详细探讨Linux进程调度器的工作原理、主要算法、调度策略以及其在实际操作中的应用。

进程调度是指操作系统决定在多道程序环境下如何分配CPU时间给多个进程或线程的过程。在一个现代操作系统中，通常有多个进程或线程需要执行，但是CPU的核心数量有限，因此需要通过调度来合理分配这些有限的计算资源。Linux进程调度的目标包括以下几个方面：

响应时间：保证交互式进程有良好的响应时间。
吞吐量：尽可能多地完成任务，提高系统的整体吞吐量。
公平性：确保所有进程都有机会获得CPU时间，避免饥饿现象。
实时性：对于实时系统，调度器应能确保实时任务在其时间约束内完成。

为达到以上目标，Linux按照调度的优先级，分别实现了DEADLINE调度策略、实时（RT）调度策略、完全公平调度策略等。

图1 Linux调度策略的优先次序

如图1所示[1]，Linux在调度过程中首先尝试在最高级别的策略模块中寻找调度实体（即进程），如果没找到，则到下一级的策略模块中寻找，如果都没找到，则进入idle状态。例如，Linux内核如果在DEADLINE策略模块中找到了调度实体，就会在处理器上调度运行该实体，而不会继续到RT调度策略模块中寻找。接下来分节介绍Linux中最常用的DEADLINE、RT以及完全公平调度策略模块，又称调度器。DEADLINE调度器

Linux内核中的DEADLINE调度器是一种实时调度策略，旨在满足具有严格时间要求的实时任务的需求。它在设计上结合了EDF（Earliest Deadline First）和CBS（Constant Bandwidth Server）两种经典的实时调度算法，为实时应用程序提供了更可靠和可预测的执行环境。

Linux DEADLINE调度器是Linux内核自3.14版本以来引入的调度策略，其目的是为实时任务提供精确的时间控制和调度保证。DEADLINE调度器通过为每个任务分配三个关键参数——开始时间（Start Time）、截止时间（Deadline）和运行时间（Runtime），来确定任务的执行顺序和调度行为。

调度器的目标是在任务的截止时间到达之前，完成所有具有时间约束的任务。如果任务没有在截止时间前完成，通常会被视为任务失败或延迟，这在硬实时系统中是不可接受的。

DEADLINE调度器基于EDF（Earliest Deadline First）的思想，即在系统中，优先选择截止时间最早的任务执行。此外，结合CBS（Constant Bandwidth Server）机制，DEADLINE调度器还能控制任务的CPU时间消耗，防止任务因超出分配的时间片而影响系统的整体实时性能。

Linux DEADLINE调度器的主要应用场景是硬实时系统，如工业控制系统、机器人控制、航空航天等领域，这些系统对任务的时间精度要求非常高，任务的延迟或未按时完成会导致严重的后果。通过DEADLINE调度器，系统可以确保任务在其指定的截止时间内完成。多媒体应用，如音频和视频流处理，要求任务以固定的周期执行，并在特定时间内完成，以保证输出的连续性和质量。DEADLINE调度器可以帮助这些任务获得所需的CPU时间，从而避免丢帧或音视频不同步的问题。以及高精度定时任务，如在金融交易系统、科学计算、医疗设备等场景中，高精度的定时任务非常重要。DEADLINE调度器能够确保这些任务按预定时间精确执行，满足系统的严格要求。

DEADLINE调度器的缺点是相比于普通调度器，DEADLINE调度器的配置参数较多，需要用户对任务的时间需求有详细了解，这对应用开发者提出了更高的要求。另外，DEADLINE调度器需要系统有足够的资源来满足实时任务的要求，当任务过多或系统资源有限时，可能会出现任务调度失败的情况。最后，DEADLINE调度器缺乏弹性，在负载非常动态的系统中，DEADLINE调度器可能不如CFS等调度器灵活，因为它严格依赖于预先设定的时间参数。

RT调度器

RT调度器是Linux内核中专门为实时任务设计的调度器，它为那些对延迟敏感的任务提供了更高的调度优先级，以确保它们能够在预定时间内执行。Linux中主要有两种RT调度策略：SCHED_FIFO 和 SCHED_RR，它们都是基于优先级的调度策略，与普通调度策略相比，RT调度策略提供了更严格的时间保证。

SCHED_FIFO（First In, First Out）：这是一个简单的实时调度策略，任务按优先级排序，优先级相同的任务按到达顺序执行。SCHED_FIFO任务一旦获得CPU资源，将持续运行，直到任务主动让出CPU或被更高优先级的任务抢占。没有时间片的概念，这意味着低优先级的任务可能会被高优先级任务“饿死”。

SCHED_RR（Round-Robin）：SCHED_RR与SCHED_FIFO类似，但它在相同优先级的任务之间实现了时间片轮转。每个任务在获得CPU时会运行一个时间片（默认100ms），然后让位给同一优先级的下一个任务。这样可以防止同一优先级的任务发生饥饿现象。

RT调度器具有严格的优先级控制，RT调度策略减少了调度延迟，保证了任务在规定时间内获得CPU资源。在需要高可靠性和时间精度的场景中，RT调度器提供了比普通调度器更高的稳定性和可预测性。

RT调度器的缺点是高优先级的RT任务可能长期占用CPU，导致低优先级任务得不到执行，甚至可能导致系统不响应（例如，一个SCHED_FIFO任务如果没有主动释放CPU，系统将无法响应其他任务）。另外RT调度器配置复杂，配置复杂：合理配置RT调度器的优先级和时间片需要深入了解任务的时间需求，配置不当可能导致系统不稳定或性能下降。RT调度器对资源的占用较为刚性，在动态负载环境下可能表现不佳。