任务调度器

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参天引擎内核架构

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任务调度器前言概述调度器介绍Stop-task scheduling 分类deadline scheduling 分类Realtime(RT) scheduling 分类completely fair (CFS) scheduling 分类Idle scheduling 分类总结结尾

前言

现代的CPU都是多core处理器，而且在intel处理器中每个core又可以多个processor，形成了多任务并行处理的硬件架构，在服务器端的处理器上架构又有一些不同，传统的采用SMP，也就是对称的多任务处理架构，每个任务都可以对等的访问所有内存，外设等，而如今在ARM系列CPU上，多采用NUMA架构，它将CPU核分了几个组，给每个组的CPU core分配了对应的内存和外设，CPU访问对应的内存和外设时速度最优，跨组访问时性能会降底一些。

随着硬件技术的持续发展，它们对一般应用的性能优化能力越来越强，同时对于服务器软件的开发，提出更高要求，要想达到极高的并发和性能，就需要充分利用当前硬件架构的特点，对它们进行压榨。那么，我们的应用至少也是要采用多任务架构，不管是多线程还是多进程的多任务架构，才可以充分利用硬件的资源，达到高效的处理能力。

当然多任务框架的采用，不仅仅是多线程的执行，需要对多任务下带来的问题进行处理，如任务执行返回值获取，任务间数据的传递，任务执行次序的协调；当然也不是任务越多处理越快，要避免线程过多导致操作系统夯住，也要防止任务空转过快导致CPU使用率飙高。

本专栏主要介绍使用多线程与多进程模型，如何搭建多任务的应用框架，同时对多任务下的数据通信，数据同步，任务控制，以及CPU core与任务绑定等相关知识的分享，让大家在实际开发中轻松构建自已的多任务程序。

概述

现代操作系统都是多任务的系统，它们都会有一个任务调度器的功能，在操作系统课程上，我们也学过各种任务调度算法，在实际实现中会依据各种应用场景实现多套不同的调度策略。

调度器介绍

多任务的调度是一项非常复杂的事情，linux的历史版本中，经常会对调度做一些优化，这里简单介绍一下linux的调度器。

在CPU中一般会有一个以上的core，每个core又可以分多个processor，常见的就是intel i5,i7的CPU， 在linux 下，可以通过 <code>cat /proc/cpuinfo 查看，每个’core id’看对应几个processor。

实际运行的程序任务数量远远大于这些处理器的数量的，所以操作系统中一般会有一个调度器的模块，通过一定的方法，让各个任务都有机会在CPU上执行，常见的有时间片轮转，先来先服务，优先级抢占等策略；操作系统为了应对不同的使用场景，也制定了一系统策略供应用者选择。

linux调度器策略，有一些是给内核任务用的，有一些是留给用户任务，目前对这些策略分了五大类，这五类之间优先级是固定的，按优先级从高到低，分别为 Stop, Deadline, Realtime, CFS, Idle,每种类型下可能会有多种调度策略，下面简单分享一下。

在调度器中会维护一个任务的优先级队列，当产生任务时，会根据任务的优先级，将它插入到相同优先级的任务队列的末尾，当有高优先级任务时，会抢占低优先级任务。

而当一个任务时间片或周期到时，主动释放CPU后，但任务还没有完成，此任务仍然会重新插入到相同优先级的任务队列末尾，如果它是当前最高优先级任务时，它会被立即调度运行。

Stop-task scheduling 分类

在linux 内核代码中如下描述

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0

/*

* stop-task scheduling class.

*

* The stop task is the highest priority task in the system, it preempts

* everything and will be preempted by nothing.

*

* See kernel/stop_machine.c

*/

Stop scheduling class是优先级最高级别的调度，它可以抢占任何任务的资源，同时它不能被抢占，直到它自己完成或释放CPU。

这一特性决定它只能被内核线程使用，主要处理一些CPU切换的任务，也就是调度器的管理工作，比如通过top命令，可以看到有 migration/1，这里的数字是CPU core的意思，将任务在不同core之间迁移的调度。

deadline scheduling 分类

该分类下有一种处理策略 SCHED_DEADLINE, 这是在linux 3.14版本中引入的，它是用户线程优先级最高的处理级别，使用GEDF (Global Earliest Deadline First) 和 CBS (Constant Bandwidth Server) 两种算法的结合。

SCHED_DEADLINE 策略的任务，是以任务截止时间为调度周期，当该任务占用CPU时，会抢占比它优先级低的任务（比如后面大类下的策略任务），直到任务的截止时间到期，或者任务完成才会释放CPU。

此类策略主要用于多媒体处理，如音视频的编解码处理任务，和其它预设任务期限的处理。

在linux中，使用sched_setattr进行设置。

Realtime(RT) scheduling 分类

此分类下有两种调度策略可选，每种策略下还可以指定任务的优先级，优先级范围为 1-99，数字越大优先级越高；

当然此大类下的任务的优先级都高于后面介绍的大类的任务，同时优先级也低于前面两个大类的任务。

SCHED_FIFO: First in-first out scheduling

这种策略相对简单，相同优先级的任务先入队的，先进行调度运行，直到更高优先级任务抢占，或者任务完成为止，或者自己释放CPU。

SCHED_RR: Round-robin scheduling

此种策略是前一种的增强，运行周期最大为系统定义的时间片，超过时间片就会被调度到队列中，时间片可以通过sched_rr_get_interval函数进行查看。

这两种策略都可以用pthread_attr_setschedpolicy进行设置。

completely fair (CFS) scheduling 分类

正如分类名称，完全公平的调度，这一大类主要用于用户线程，创建线程时默认策略就是SCHED_OTHER;

此大类下有三种调度策略可选，它们的优先级必须设置为0，它们使用另一权重 nice 的设置，调整同类策略任务的优先级，nice值范围为-20 - 19, 值越小权重越大，也就是优先级越高。

SCHED_OTHER: Default Linux time-sharing scheduling

默认创建线程的策略，在内核中的命名是SCHED_NORMAL，也就是用户线程最常用的一种分时调度策略。每个任务的可用时间片由nice值来决定，当nice值低时，有更多的时间来运行，当nice值高时，运行的时间相比就会少一些；

SCHED_BATCH：Scheduling batch processes

主要运行一些非交互式的批处理任务，这些任务需要持续运行一段时间，它们是计算密集性，不适合频繁的调度。

此策略下的任务通常在没有SCHED_OTHER策略的任务时，才进行调度运行。

SCHED_IDLE: Scheduling very low priority jobs

此类型策略对应的任务优先级最低，通常用于系统中没有其它任务时，才进行调度运行，它的nice 值对本身的优先级没有影响。

Idle scheduling 分类

与 SCHED_IDLE是有区别的，在此分类下暂时没有策略可选，它是一种优先级最低的调度类型，目前它不用于用户级的线程调度，只用于内核调度器在CPU空闲时的任务 swapper/1，数字代表core编号，此时没有任务，CPU处于一种节能模式。

总结

多任务操作系统，如Windows和Linux，允许多个程序同时运行，为现代计算提供了强大的支持。采用多任务操作系统的原因为了提高计算机的效率和响应速度。在单任务操作系统中，计算机只能一次完成一个任务，这导致效率低下。而多任务操作系统通过同时处理多个任务，提高了工作效率。例如，在编辑文档的同时下载文件或听音乐，大大增强了用户的体验。总之，多任务操作系统满足了现代社会的多元化需求，为人们提供了便捷、高效的工作与生活方式。

结尾

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