干货分享：基于嵌入式Linux中进程调度实现方法

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linux是一套免费使用和自由传播的类 Unix 操作系统，是一个基于 POSIX 和 UNIX 的多用户、多任务、支持多线程和多 CPU 的操作系统。它能运行主要的 UNIX 工具软件、应用程序和网络协议。

1. 前言
处理机(CPU)是整个计算机系统的核心资源，在多进程的操作系统中，进程数往往多于处理机数，这将导致各进程互相争夺处理机。进程调度对系统功能的实现及各方面的性能都有着决定性的影响，其实质就是把处理机公平、合理、高效地分配给各个进程。调度是实现多任务并发执行的必要手段，不同的操作系统有着不同的调度目标。在传统的 Unix 类分时系统中，保证多个进程公平地使用系统资源，提供较好的响应时间是调度的主要目标;而在强实时操作系统中，总是优先级高的任务优先获得处理机的使用权。

Linux 具有内核稳定、功能强大、可裁减、低成本等特点，非常适合嵌入式应用。但是 Linux 内核本身并不具备强实时特性，且内核体积较大，因此，想要把 Linux 用于嵌入式系统，必须对 Linux 进行实时化、嵌入式化。Linux 结合实时进程和非实时进程(普通进程)自身的特点，综合了上述几种调度策略，实现了高效、灵活的进程调度。

2.Linux 进程调度分析
2.1　Linux 进程状态的描述
Linux 将进程状态描述为如下五种：

TASK_RUNNING：可运行状态。处于该状态的进程可以被调度执行而成为当前进程。

TASK_INTERRUPtiBLE：可中断的睡眠状态。处于该状态的进程在所需资源有效时被唤醒，也可以通过信号或定时中断唤醒。

TASK_UNINTERRUPTIBLE：不可中断的睡眠状态。处于该状态的进程仅当所需资源有效时被唤醒。

TASK_ZOMBIE：僵尸状态。表示进程结束且已释放资源，但其 task_STruct 仍未释放。

TASK_STOPPED：暂停状态。处于该状态的进程通过其他进程的信号才能被唤醒。

2.2　调度方式
Linux 中的每个进程都分配有一个相对独立的虚拟地址空间。该虚存空间分为两部分：用户空间包含了进程本身的代码和数据;内核空间包含了操作系统的代码和数据。

Linux 采用“有条件的可剥夺”调度方式。对于普通进程，当其时间片结束时，调度程序挑选出下一个处于 TASK_RUNNING 状态的进程作为当前进程 (自愿调度)。对于实时进程，若其优先级足够高，则会从当前的运行进程中抢占 CPU 成为新的当前进程(强制调度)。发生强制调度时，若进程在用户空间中运行，就会直接被剥夺 CPU;若进程在内核空间中运行，即使迫切需要其放弃 CPU，也仍要等到从它系统空间返回的前夕才被剥夺 CPU。

3. 调度策略
3.1　三种调度策略
(1)SCHED_OTHER。SCHED_OTHER 是面向普通进程的时间片轮转策略。采用该策略时，系统为处于 TASK_RUNNING 状态的每个进程分配一个时间片。当时间片用完时，进程调度程序再选择下一个优先级相对较高的进程，并授予 CPU 使用权。

(2)SCHED_FIFO。SCHED_FIFO 策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较短的实时进程。采用该策略时，各实时进程按其进入可运行队列的顺序依次获得 CPU。除了因等待某个事件主动放弃 CPU，或者出现优先级更高的进程而剥夺其 CPU 之外，该进程将一直占用 CPU 运行。

(3)SCHED_RR。SCHED_RR 策略适用于对响应时间要求比较高，运行所需时间比较长的实时进程。采用该策略时，各实时进程按时间片轮流使用 CPU。当一个运行进程的时间片用完后，进程调度程序停止其运行并将其置于可运行队列的末尾。

3.2 进程调度依据
Linux 只有一个可运行队列，处于 TASK_RUNNING 状态的实时进程和普通进程都加入到这个可运行队列中。Linux 的进程调度采用了动态优先级和权值调控的方法，既可实现上述三种调度策略，又能保证实时进程总是比普通进程优先使用 CPU。描述进程的数据结构 task_struct 中用以下几个数据作为调度依据：

Struct task_struct {

……

volaTIle lONg need_resched; /*是否需要重新调度*/long counter; /*进程当前还拥有的时间片*/

long nice; /*普通进程的动态优先级，来自 UNIX 系统*/unsigned long policy; /*进程调度策略*/

unsigned long rt_priority; /*实时进程的优先级*/……

};

counter 的值是动态变化的，进程运行时，每一个时钟滴答后，其值减 1。当 counter 值为 0 时，表示该进程时间片已用完，该进程回到可运行队列中，等待再次调度。

为保证实时进程优于普通进程，Linux 采取加权处理法。在进程调度过程中，每次选取下一个运行进程时，调度程序首先给可运行队列中的每个进程赋予一个权值 weight。普通进程的权值就是其 counter 和优先级 nice 的综合，而实时进程的权值是它的 rt_priority 的值加 1000，确保实时进程的权值总能大于普通进程。调度程序检查可运行队列中所有进程的权值，选取权值最大者作为下一个运行进程，保证了实时进程优先于普通进程获得 CPU。 Linux 使用内核函数 goodness()对进程进行加权处理：

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

Int weight;

Weight=-1;

/*判断如果任务的调度策略被置为 SCHED_YIELD 的话，则置权值为 -1，返回。系统调用 SCHED_YIELD 表示为“礼让”进程，其权值为最低*/If (p-》policy & SCHED_YIELD)

goto out;

/*先对普通进程进行处理(由于多数是普通进程，这样做有利于提高系统效率)*/If (p-》policy==SCHED_OTHER){

weight=p-》counter; /*返回权值为进程的 counter 值*//*如果当前进程的 counter 为 0，则表示当前进程的时间片已用完，直接返回*/If (! weight)

Goto out;

#Ifdef CONFIG_SMP

If (p-》processor==this_cpu)

Weight+=PROC_CHANGE_PENALTY;

#Endif

/*对进程权值进行微调，如果进程的内存空间使用当前正在运行的进程的内存空间，则权值额外加 1*/If (p-》mm==this_mm||! p-》mm)

Weight+=1;

/*将权值加上 20 与进程优先级 nice 的差。普通进程的权值主要由 counter 值和 nice 值组成*/Weight+=20-p-》nice;

Goto out;

}

/*对实时进程进行处理，返回权值为 rt_priority+1000，确保优先级高于普通进程*/Weight=1000+p-》rt_priority;

Out：

return weight;

}

从 goodness()函数可以看出，对于普通进程，其权值主要取决于剩余的时间配额和 nice 两个因素。nice 的规定取值范围为 19～-20，只有特权用户才能把 nice 值设为负数，而表达式(20-p-》nice)掉转方向成为 1～40。所以，综合的权值在时间片尚未用完时基本上是两者之和。如果是内核进程，或者其用户空间与当前进程相同，则权值将额外加 1 作为奖励。对于实时进程，其权值为 1000+p-》rt_priority，当 p-》counter 达到 0 时该进程将移到队列的尾部，但其优先级仍不少于 1000。可见当有实时进程就绪时，普通进程是没机会运行的。

由此可以看出，通过 goodness()函数，Linux 从优先考虑实时进程出发，实现了多种调度策略的统一处理，其设计思想可谓非常巧妙。

3.3 进程调度
Linux 的进程调度由调度程序 schedule()完成，通过对 schedule()的分析能更好理解调度的过程。schedule()首先判断当前运行进程是否具有 SCHED_RR 标志，本文取一部分加以分析：

if (prev-》policy==SCHED_RR) /*如果是轮转调度，先作 goto 特殊处理*/Goto move_rr_last;

……

Move_rr_last：

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

}

Goto move_rr_back;

prev-》counter 代表当前进程的运行时间配额，其值逐渐减小。一旦减至 0，就要从可执行队列 runqueue 中当前的位置移到末尾，宏操作 NICE_TO_TICKS 根据系统时钟的精度将进程的优先级别换算成可以运行的时间配额，即恢复其初始的时间配额。把该进程移到末尾意味着：如果没有权值更高的进程，但是有一个权值与这相同的进程存在，那么，那个权值相同而排列在前的进程就会被选中，从而顾全了大局。

接下来调度函数查询当前运行进程的状态是否改变：

Move_rr_back：

switch(prev-》state){ /*查看进程当前的状态*/Case TASK_INTERRUPTIBLE：

if (signal pending(prev)){ /*判断运行期间是否收到信号*/Prev-》state=TASK_RUNNING;

Break;

}

default： /*当前运行进程处于非 TASK_RUNNING 状态*/Del_from_runqueue (prev);

Case TASK_RUNNING：

}

Prev-》need_resched=0;

容易理解：如果发现进程处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态且有信号等待处理，则内核将其状态设为 TASK_RUNNING，让其处理完信号，接下来仍有机会获得 CPU;如果没有信号等待，则将其从可运行队列中撤下来;如果处于 TASK_RUNNING 状态，则继续进行。然后，将 prev-》need_resched 的值恢复成 0，因为所需的调度已经在运行。

Repeat schedule ()：

next=idle_task(this_cpu); /*next 指向最佳候选进程*/c=-1000; 　/*进程的综合权值，初始时是 0 号进程，-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)){ /*计算 p 指向的进程的权值*/Int weight=goodness (p， this_cpu， prev-》active_mm);if (weight》c) /*比较权值大小*/

C=weight， next=p;

}

}

调度之前，将待调度的进程默认为 0 号进程，权值置为 -1000。0 号进程比较特别，既不会睡眠，又不能被杀死。接下来内核遍历可执行队列 run queue 中的每个进程，为每个进程通过 goodness()函数计算出它当前所具有的权值，然后与当前的最高值 c 相比。如果两个进程具有相同权值的话，那么排在前面的进程胜出。

Still_running：

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

Goto still_running_back;

上面的代码告诉我们，如果当前进程想要继续运行，那么在挑选进程时以当前进程此刻的权值开始。这意味着，相对于权值相同的其他进程来说，当前进程优先。

若发现当前已选进程的权值为 0，则需要重新计算各个进程的时间配额，schedule()将转入 recalculate 部分。限于篇幅，在此不再展开。

4. 结束语
以上结合代码简要介绍了 Linux 中进程调度的基本思想、依据和策略，容易发现 Linux 高效率和较强支持并发进程等特点。近年来，嵌入式 Linux 的研究正在成为一个热点，理解 Linux 进程调度的原理，并在此基础上改进调度算法可能存在的缺陷，可以进一步增强其对实时性的支持，使之进一步适应在嵌入式系统领域内的应用。

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