一、前言?
Linux調(diào)度器神秘而充滿誘惑，每個Linux工程師都想深入其內(nèi)部一探究竟。不過中國有一句古話叫做“相由心生”，一個模塊精巧的內(nèi)部邏輯（也就是所謂的“心”）其外延就是簡潔而優(yōu)雅的接口（我稱之為“相”）。通過外部接口的定義，其實我們也可以收獲百分之六七十的該模塊的內(nèi)部信息。因此，本文主要描述Linux調(diào)度器開放給用戶空間的接口，希望可以通過用戶空間的調(diào)度器接口來理解Linux調(diào)度器的行為。

二、nice函數(shù)

nice函數(shù)用來修改調(diào)用進程的nice value，其接口定義如下：

#include?
?????? int nice(int inc);

為了方便說明該接口的作用，我們還是舉實際的例子說明。程序調(diào)用nice(3)，則將當前進程的nice value增加3，這也就是意味著該進程的優(yōu)先級降低3個level（提升nice value也就是對別人更加nice，自己的優(yōu)先級就會低）。如果程序調(diào)用nice(-5)，則將當前進程的nice value減去5，這也就是意味著該進程的優(yōu)先級提升5個level。當調(diào)用錯誤的時候返回-1，調(diào)用成功會稍微有一些歧義。POSIX標準規(guī)定了nice函數(shù)返回新的nice value，但是linux的系統(tǒng)調(diào)用和c庫都是采用了操作成功返回0的方式。這樣的處理方式使得在調(diào)用nice函數(shù)的時候無法得到當前的優(yōu)先級，如果想要得到當前優(yōu)先級，需要調(diào)用getpriority函數(shù)，我們在下一小節(jié)描述。

雖然說nice函數(shù)是用來調(diào)整優(yōu)先級，實際上調(diào)整nice value就是調(diào)整調(diào)度器分配給該進程的CPU時間，具體是如何影響cpu time的呢？我們在后面描述內(nèi)核代碼的時候再詳聊。此外，需要注意的是：根據(jù)POSIX標準，nice value是一個per process的設定，但是在linux中，nice value沒有遵從這個標準，它是per-thread的一個屬性。

三、getpriority/setpriority函數(shù)

從上節(jié)的描述中，我們了解到了nice的函數(shù)的限制，例如只能修改自己的nice value，無法獲取當前的nice value值等，為此我們給出加強版本的nice接口，也就是getpriority/setpriority函數(shù)了。getpriority/setpriority函數(shù)定義如下：

#include?
#include?

int getpriority(int which, int who);?
int setpriority(int which, int who, int prio);

你說接口增加功能是好事，怎么就把名字也改了呢？為何不是getnice/setnice呢？其實從上節(jié)的描述也看出稍許端倪，我們并沒有區(qū)分調(diào)度優(yōu)先級和nice value這兩個值，歷史上，首先被使用的是nice value，很快大家覺得這個詞不是那么好理解，特別是對于初學者，因此改成優(yōu)先級（priority）這樣的名詞可以讓用戶更好的理解這個API的作用，當然，事實證明這個改動并不是非常理想，我們后面會描述。

getpriority/setpriority功能比較強大，能處理多種請求，不同的請求通過which和who這兩個參數(shù)來制定。當which等于PRIO_PROCESS的時候，who需要傳入一個process id的參數(shù)，getpriority將返回指定進程的nice value。當which等于PRIO_PGRP的時候，who需要傳入一個process group id的參數(shù)，此時getpriority將返回指定進程組中優(yōu)先級最高的那個（BTW，nice value是最小的）。當which等于PRIO_USER的時候，who需要user id的信息，這時候，getpriority將返回屬于該user的所有進程中nice value最小的那個。who等于0說明要get或者set的對象是當前進程（或者當前進程組，或者當前的user）。

setpriority類似與nice，當然功能要強那么一點點，因為它可以接收PRIO_PROCESS，PRIO_PGRP或者PRIO_USER參數(shù)用來設定一組進程的nice value。setpriority的返回值和其他函數(shù)類似，0表示成功，-1表示操作失敗，不過getpriority就稍微有一點繞了。作為linux程序員，我們都知道的nice value是[-20, 19]，如果getpriority返回這個范圍，那么這里的-1優(yōu)先級就有點尷尬了，因為一般的linux c庫接口函數(shù)返回-1表示調(diào)用錯誤，我們是如何區(qū)分-1調(diào)用錯誤的返回還是優(yōu)先級-1的返回值呢？getpriority是少數(shù)返回-1也是有可能正確的接口函數(shù)：在調(diào)用getpriority之前，我們需要首先將errno清零，調(diào)用getpriority之后，如果返回-1，我們需要看看errno是否還是保持0值，如果是，那么說明返回的是優(yōu)先級-1，否則說明發(fā)生了錯誤。

四、操作rt priority的接口

傳統(tǒng)的類unix內(nèi)核，調(diào)度器是采用round-robin time-sharing的算法：如果有若干個進程是runnable的，那么不著急，大家排排隊、吃果果，每個進程分配一個cpu時間片，大家輪流按照分配的時間片來獲取cpu資源，所有的時間片用完，那么就重新一輪的分配。在這樣的模型下面，間接影響cpu時間片的nice接口函數(shù)就夠用了。當然，分配了更多的時間片也就是意味著有更高的優(yōu)先級，因此nice vlaue也被稱為進程的優(yōu)先級。

但是，新的需求層出不窮（人類的欲望是無窮D），特別是實時性方面的需求，因此，POSIX標準（2008版本）增加了實時調(diào)度的內(nèi)容，并且提供了POSIX realtime scheduling API來讓用戶空間來修改調(diào)度策略和調(diào)度優(yōu)先級。這下子有點尷尬了，原來的nice value大家已經(jīng)習慣稱之為進程優(yōu)先級了，現(xiàn)在真正的進程優(yōu)先級登場了，怎么區(qū)分？為了解決這個問題，我們引入一個新的名詞叫做調(diào)度策略（scheduling policy）。調(diào)度器在運作的時候往往設定一組規(guī)則來決定何時，選擇哪一個進程進入執(zhí)行狀態(tài)，執(zhí)行多長的時間。那些“規(guī)則”就是調(diào)度策略。

好的調(diào)度策略依賴于對進程的分類，有一類進程是大家都灰常的熟悉了就是普通進程，使用時間片輪轉(zhuǎn)算法的那些進程。當然這類進程還可以細分，例如運算密集型進程（SCHED_BATCH，調(diào)度器最好不要太經(jīng)常的喚醒這種進程），例如idle類進程（SCHED_IDLE），idle類進程優(yōu)先級非常低，也就是說如果系統(tǒng)有其他事情要處理就去干別的事情（調(diào)度其他進程執(zhí)行），實在沒有活干了，再考慮IDLE類型的進程。不論哪一種普通進程，其優(yōu)先級使用nice value這樣一個調(diào)度參數(shù)來描述就OK了。

除了普通進程，還有一類是嚴格按照優(yōu)先級來調(diào)度的進程，如果熟悉RTOS的話，對priority-base的調(diào)度器應該不會陌生，官大一級壓死人，只要優(yōu)先級高的進程是runnable的，那么優(yōu)先級低的進程是根本沒有機會執(zhí)行的。這里的優(yōu)先級才是真正意義的優(yōu)先級，但是nice value已經(jīng)被稱為進程優(yōu)先級了，因此這里的優(yōu)先級被叫做rt priority。rt進程的調(diào)度又被細分成兩類：SCHED_FIFO和SCHED_RR。這兩種調(diào)度策略在相同rt priority的時候稍有差別，SCHED_FIFO是誰先到誰先獲取cpu資源，并且一直占用，直到主動讓出cpu或者退出，相同rt priority的進程才有機會執(zhí)行。SCHED_RR稍微人性化了一點，相同rt priority的進程有時間片，大家輪流執(zhí)行。對于實時進程而言，rt priority這個調(diào)度參數(shù)就描述了全部。

介紹到這里，是時候總結一下了：進程優(yōu)先級有兩個范圍，一個是nice value，用前兩個小節(jié)的API來set或者get。另外一個優(yōu)先級是rt priority，完全碾壓nice value這種優(yōu)先級，操作rt priority的接口就在這一小節(jié)描述。

OK，經(jīng)過漫長的鋪墊過程，我們終于可以介紹realtime process scheduling API了，具體API定義如下：

#include

int sched_setscheduler(pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param);

int sched_getscheduler(pid_t pid);

int sched_get_priority_max(int policy);－－返回指定policy的最大的rt priority?
int sched_get_priority_min(int policy);－－返回指定policy的最小的rt priority

int sched_setparam(pid_t pid, const struct sched_param *param);?
int sched_getparam(pid_t pid, struct sched_param *param);

sched_get_priority_max和sched_get_priority_min分別返回了指定調(diào)度策略的最大和最小的rt priority，不同的操作系統(tǒng)實現(xiàn)不同的優(yōu)先級數(shù)量。在linux中，實時進程（SCHED_FIFO和SCHED_RR）的rt priority共計99個level，最小是1，最大是99。對于其他的調(diào)度策略，這些函數(shù)返回0。

sched_getscheduler函數(shù)可以獲取指定進程的scheduling policy（如果pid等于0，那么是獲取調(diào)用進程的調(diào)度策略）。sched_setscheduler函數(shù)是用來設定指定進程的scheduling policy，對于實時進程，該接口函數(shù)還可以設定rt priority。如果設定進程的調(diào)度策略是非實時的調(diào)度策略的時候（例如SCHED_NORMAL），那么param參數(shù)是沒有意義的，其sched_priority成員必須設定為0。sched_setparam/sched_getparam非常簡單，大家自己看man page好了。

五、一統(tǒng)江湖的接口

看起來前面小節(jié)描述的API已經(jīng)夠用了，然而，故事并未結束。經(jīng)過前面關于調(diào)度接口的討論，基本上我們對調(diào)度器的行為也已經(jīng)有了了解：調(diào)度器就是按照優(yōu)先級（指rt priority）來工作，優(yōu)先級高的永遠是優(yōu)先調(diào)度。范圍落在[1,99]的rt priority是實時進程，而rt priority等于0的是普通進程。對于普通進程，調(diào)度器還要根據(jù)nice value（這個也曾經(jīng)被稱為優(yōu)先級，不要和rt priority弄混了）來進行調(diào)整。用戶空間的進程可以通過各種前面描述的接口API來修改調(diào)度策略、nice value以及rt priority。一切看上去已經(jīng)完美，CFS類型的調(diào)度器處理普通的運算密集形（例如編譯內(nèi)核）和用戶交互形的應用（例如vi編輯文件）。如果有應用有實時需求，可以考慮讓rt類型的調(diào)度器來運籌帷幄。但是，如何混合了一些realtime的應用以及有一些timing要求的應用的時候，SCHED_FIFO和SCHED_RR并不能解決問題，因為在這種調(diào)度策略下，高優(yōu)先級的任務會永遠的delay低優(yōu)先級的任務，如果低優(yōu)先級的任務有一些timing的需求，這時候，你根本控制不了調(diào)度延遲時間。

為了解決上一節(jié)中描述的問題，一類新的進程被定義出來，這類進程的優(yōu)先級比實時進程和普通進程的優(yōu)先級都要高，這類進行有自己的特點，參考下圖：

這類進程的特點就是每隔固定的周期都會起來干活，需要一定的時間來處理事務。這類進程很牛，一上來就告訴調(diào)度器，我可是有點脾氣的進程，和其他的那些妖艷的進程不一樣的，我每隔一段時間（period）你就得固定分配給我一定的cpu資源（computer time），當然，分配的cpu time必須在該周期內(nèi)執(zhí)行完畢，因此就有deadline的概念。為了應對這種需求，3.14內(nèi)核引入了一類新的進程叫做deadline進程，這類進程的調(diào)度策略是SCHED_DEADLINE。調(diào)度器對這類進程也會高看一眼，每當一個周期的開始時間到來的時候（也就是該deadline進程被喚醒的時間），調(diào)度器要優(yōu)先處理這個deadline進程對cpu timer的需求，并且在某個指定的deadline時間內(nèi)調(diào)度該進程執(zhí)行。執(zhí)行了指定的cpu time后，可以考慮調(diào)度走該進行，不過，當下一個周期到來的時候，調(diào)度器仍然要奮不顧身的在deadline時間內(nèi)，再次調(diào)度該deadline進程執(zhí)行。

雖然deadline進程優(yōu)先級高于其他兩類進程，但是用“優(yōu)先級”來描述這類進程當然是不合理的，應該使用下面的三個參數(shù)來描述：

（1）周期時間（上圖中的period）

（2）deadline時間（上圖中的relative deadline）

（3）一次調(diào)度周期內(nèi)分配多少的cpu時間（上圖中的comp. time）

至此，估計您也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，前面描述的接口其實都是不適合設定這些參數(shù)的，因此，GNU/linux操作系統(tǒng)中增加了下面的接口API：

#include

int sched_setattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int flags);?
int sched_getattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int size, unsigned int flags);

attr這個參數(shù)的數(shù)據(jù)類型是struct sched_attr，這個數(shù)據(jù)結構囊括了一切你想要的關于調(diào)度的控制參數(shù)：policy，nice value，rt priority，period，deadline等等。用這個接口可以完成所有前面幾個小節(jié)描述API能完成的任務，唯一的不好的地方就是這個接口是linux特有的，不是posix標準，是否應用這個接口就是見仁見智了。更細節(jié)的知識這里就不描述了，大家還是參考man page好了。

六、其他

上面描述的接口API都是和調(diào)度器參數(shù)相關，其實Linux調(diào)度器還有兩類接口。一個是sched_getaffinity和sched_setaffinity，用于操作一個線程的CPU affinity。另外一個接口是sched_yield，該接口可以讓出CPU資源，讓Linux調(diào)度器選擇一個合適的線程執(zhí)行。這些接口很簡單，大家仔細學習就OK了。

參考文檔：

1、POSIX標準2008

2、linux下的各種man page

3、linux 4.4.6內(nèi)核源代碼