linux内核调度算法(2)--CPU时间片如何分配

内核在微观上,把CPU的运行时间分成许多分,然后安排给各个进程轮流运行,造成宏观上所有的进程仿佛同时在执行。双核CPU,实际上最多只能有两个进程在同时运行,大家在top、vmstat命令里看到的正在运行的进程,并不是真的在占有着CPU哈。

所以,一些设计良好的高性能进程,比如nginx,都是实际上有几颗CPU,就配几个工作进程,道理就在这。比如你的服务器有8颗CPU,那么nginx worker应当只有8个,当你多于8个时,内核可能会放超过多个nginx worker进程到1个runqueue里,会发生什么呢?就是在这颗CPU上,会比较均匀的把时间分配给这几个nginx worker,每个worker进程运行完一个时间片后,内核需要做进程切换,把正在运行的进程上下文保存下来。假设内核分配的时间片是100ms,做进程切换的时间是5ms,那么进程性能下降还是很明显的,跟你配置的worker有关,中老年女装越多下降得越厉害。

当然,这是跟nginx的设计有关的。nginx是事件驱动的全异步进程,本身设计上就几乎不存在阻塞和中断,nginx的设计者就希望每一个nginx worker可以独占CPU的几乎全部时间片,这点就是nginx worker数量配置的依据所在。

当然,实际的运行进程里,大部分并不是nginx这种希望独占CPU全部时间片的进程,许多进程,比如vi,它在很多时间是在等待用户输入,这时vi在等待IO中断,是不占用时间片的,内核面对多样化的进程,就需要技巧性的分配CPU时间片了。

内核分配时间片是有策略和倾向性的。换句话说,内核是偏心的,它喜欢的是IO消耗型进程,因为这类进程如果不能及时响应,用户就会很不爽,所以它总会下意识的多分配CPU运行时间给这类进程。而CPU消耗进程内核就不太关心了。这有道理吗?太有了,CPU消耗型慢一点用户感知不出来,电信号和生物信号运转速度差距巨大。虽然内核尽量多的分配时间片给IO消耗型进程,但IO消耗进程常常在睡觉,给它的时间片根本用不掉。很合理吧?

那么内核具体是怎么实现这种偏心呢?通过动态调整进程的优先级,以及分配不同长短的CPU时间处来实现。先说内核如何决定时间片的长度。

对每一个进程,有一个整型static_prio表示用户设置的静态优先级,内核里它与nice值是对应的。看看进程描述结构里的static_prio成员。



nice值是什么?其实就是优先级针对用户进程的另一种表示法,nice的取值范围是-20到+19,-20优先级最高,+19最低。上篇曾经说过,内核优先级共有140,而用户能够设置的NICE优先级如何与这140个优先级对应起来呢?看代码:



可以看到,MAX_PRIO就是140,也就是内核定义的最大优先级了。



而MAX_USER_PRIO就是40,意指,普通进程指定的优先级别最多40,就像前面我们讲的那样-20到+19。



nice值是-20表示最高,对应着static_prio是多少呢?NICE_TO_PRIO(0)就是120,NICE_TO_PRIO(-20)就是100。

当该进程刚被其父进程fork出来时,是平分其父进程的剩余时间片的。这个时间片执行完后,就会根据它的初始优先级来重新分配时间片,优先级为+19时最低,只分配最小时间片5ms,优先级为0时是100ms,优先级是-20时是最大时间片800ms。我们看看内核是如何计算时间片长度的,大家先看下task_timeslice时间片计算函数:

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