Linux进程优先级的处理--Linux进程的管理与调度(二十二)

1. linux优先级的表示

1.1 优先级的内核表示

linux优先级概述

在用户空间通过nice命令设置进程的静态优先级, 这在内部会调用nice系统调用, 进程的nice值在-20~+19之间. 值越低优先级越高.

setpriority系统调用也可以用来设置进程的优先级. 它不仅能够修改单个线程的优先级, 还能修改进程组中所有进程的优先级, 或者通过制定UID来修改特定用户的所有进程的优先级

内核使用一些简单的数值范围0~139表示内部优先级, 数值越低, 优先级越高。

从0~99的范围专供实时进程使用, nice的值[-20,19]则映射到范围100~139

linux2.6内核将任务优先级进行了一个划分, 实时优先级范围是0到MAX_RT_PRIO-1（即99），而普通进程的静态优先级范围是从MAX_RT_PRIO到MAX_PRIO-1（即100到139）.

优先级范围	描述
0——99	实时进程
100——139	非实时进程

内核的优先级表示

内核表示优先级的所有信息基本都放在include/linux/sched/prio.h中, 其中定义了一些表示优先级的宏和函数.

优先级数值通过宏来定义, 如下所示,

其中MAX_NICE和MIN_NICE定义了nice的最大最小值

而MAX_RT_PRIO指定了实时进程的最大优先级,而MAX_PRIO则是普通进程的最大优先级数值

/*  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L4 */
#define MAX_NICE        19
#define MIN_NICE        -20
#define NICE_WIDTH      (MAX_NICE - MIN_NICE + 1)

/* http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L24  */
#define MAX_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 40)
#define DEFAULT_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 20)

宏	值	描述
MIN_NICE	-20	对应于优先级100, 可以使用NICE_TO_PRIO和PRIO_TO_NICE转换
NICE_WIDTH	40	nice值得范围宽度, 即[-20, 19]共40个数字的宽度
MAX_RT_PRIO, MAX_USER_RT_PRIO	10 0	实时进程的最大优先级
MAX_PRIO	14 0	普通进程的最大优先级
DEFAULT_PRIO	12 0	进程的默认优先级, 对应于nice=0
MAX_DL_PRIO	0	使用EDF最早截止时间优先调度算法的实时进程最大的优先级

而内核提供了一组宏将优先级在各种不同的表示形之间转移

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L27
/*
 * Convert user-nice values [ -20 ... 0 ... 19 ]
 * to static priority [ MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1 ],
 * and back.
 */
#define NICE_TO_PRIO(nice)      ((nice) + DEFAULT_PRIO)
#define PRIO_TO_NICE(prio)      ((prio) - DEFAULT_PRIO)

/*
 * 'User priority' is the nice value converted to something we
 * can work with better when scaling various scheduler parameters,
 * it's a [ 0 ... 39 ] range.
 */
#define USER_PRIO(p)            ((p)-MAX_RT_PRIO)
#define TASK_USER_PRIO(p)       USER_PRIO((p)->static_prio)
#define MAX_USER_PRIO           (USER_PRIO(MAX_PRIO))

还有一些nice值和rlimit值之间相互转换的函数nice_to_rlimit和rlimit_to_nice, 这在nice系统调用进行检查的时候很有用, 他们定义在include/linux/sched/prio.h, L47中, 如下所示

/*
 * Convert nice value [19,-20] to rlimit style value [1,40].
 */
static inline long nice_to_rlimit(long nice)
{
    return (MAX_NICE - nice + 1);
}

/*
 * Convert rlimit style value [1,40] to nice value [-20, 19].
 */
static inline long rlimit_to_nice(long prio)
{
    return (MAX_NICE - prio + 1);
}

DEF最早截至时间优先实时调度算法的优先级描述

此外新版本的内核还引入了EDF实时调度算法, 它的优先级比RT进程和NORMAL/BATCH进程的优先级都要高, 关于EDF的优先级的设置信息都早内核头文件include/linux/sched/deadline.h

因此内核将MAX_DL_PRIO设置为0, 可以参见内核文件include/linux/sched/deadline.h

#define MAX_DL_PRIO             0

此外也提供了一些EDF优先级处理所需的函数, 如下所示, 可以参见内核文件include/linux/sched/deadline.h

static inline int dl_prio(int prio)
{
    if (unlikely(prio < MAX_DL_PRIO))
            return 1;
    return 0;
}

static inline int dl_task(struct task_struct *p)
{
    return dl_prio(p->prio);
}

static inline bool dl_time_before(u64 a, u64 b)
{
    return (s64)(a - b) < 0;
}

1.2 进程的优先级表示

struct task_struct
{
    /* 进程优先级
     * prio: 动态优先级，范围为100~139，与静态优先级和补偿(bonus)有关
     * static_prio: 静态优先级，static_prio = 100 + nice + 20 (nice值为-20~19,所以static_prio值为100~139)
     * normal_prio: 没有受优先级继承影响的常规优先级，具体见normal_prio函数，跟属于什么类型的进程有关
     */
    int prio, static_prio, normal_prio;
    /* 实时进程优先级 */
    unsigned int rt_priority;
}

动态优先级 静态优先级 实时优先级

其中task_struct采用了三个成员表示进程的优先级:prio和normal_prio表示动态优先级, static_prio表示进程的静态优先级.

为什么表示动态优先级需要两个值prio和normal_prio

调度器会考虑的优先级则保存在prio. 由于在某些情况下内核需要暂时提高进程的优先级, 因此需要用prio表示. 由于这些改变不是持久的, 因此静态优先级static_prio和普通优先级normal_prio不受影响.

此外还用了一个字段rt_priority保存了实时进程的优先级

字段	描述
static_prio	用于保存静态优先级, 是进程启动时分配的优先级, ，可以通过nice和sched_setscheduler系统调用来进行修改, 否则在进程运行期间会一直保持恒定
rt_priority	用于保存实时优先级
normal_prio	表示基于进程的静态优先级static_prio和调度策略计算出的优先级. 因此即使普通进程和实时进程具有相同的静态优先级, 其普通优先级也是不同的, 进程分叉(fork)时, 子进程会继承父进程的普通优先级
prio	保存进程的动态优先级

实时进程的优先级用实时优先级rt_priority来表示

2 进程优先级的计算

前面说了task_struct中的几个优先级的字段

静态优先级	实时优先级	普通优先级	动态优先级
static_prio	rt_priority	normal_prio	prio

但是这些优先级是如何关联的呢, 动态优先级prio又是如何计算的呢?

2.1 normal_prio函数设置普通优先级normal_prio

静态优先级static_prio(普通进程)和实时优先级rt_priority(实时进程)是计算的起点

因此他们也是进程创建的时候设定好的, 我们通过nice修改的就是普通进程的静态优先级static_prio

首先通过静态优先级static_prio计算出普通优先级normal_prio, 该工作可以由nromal_prio来完成, 该函数定义在kernel/sched/core.c#L861

/*
 * __normal_prio - return the priority that is based on the static prio
 * 普通进程(非实时进程)的普通优先级normal_prio就是静态优先级static_prio
 */
static inline int __normal_prio(struct task_struct *p)
{
    return p->static_prio;
}

/*
 * Calculate the expected normal priority: i.e. priority
 * without taking RT-inheritance into account. Might be
 * boosted by interactivity modifiers. Changes upon fork,
 * setprio syscalls, and whenever the interactivity
 * estimator recalculates.
 */
static inline int normal_prio(struct task_struct *p)
{
    int prio;

    if (task_has_dl_policy(p))              /*  EDF调度的实时进程  */
            prio = MAX_DL_PRIO-1;
    else if (task_has_rt_policy(p))       /*  普通实时进程的优先级  */
            prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;
    else                                              /*  普通进程的优先级  */
            prio = __normal_prio(p);
    return prio;
}

进程类型	调度器	普通优先级normal_prio
EDF实时进程	EDF	MAX_DL_PRIO-1 = -1
普通实时进程	RT	MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority = 99 - rt_priority
普通进程	CFS	__normal_prio(p) = static_prio

普通优先级normal_prio需要根据普通进程和实时进程进行不同的计算, 其中__normal_prio适用于普通进程, 直接将普通优先级normal_prio设置为静态优先级static_prio. 而实时进程的普通优先级计算依据其实时优先级rt_priority.

3.1.1 辅助函数task_has_dl_policy和task_has_rt_policy

定义在kernel/sched/sched.h#L117 中

其本质其实就是传入task->policy调度策略字段看其值等于SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH, SCHED_IDLE, SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_DEADLINE中的哪个, 从而确定其所属的调度类, 进一步就确定了其进程类型

static inline int idle_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_IDLE;
}
static inline int fair_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_NORMAL || policy == SCHED_BATCH;
}

static inline int rt_policy(int policy)
{
    return policy == SCHED_FIFO || policy == SCHED_RR;
}

static inline int dl_policy(int policy)
{
        return policy == SCHED_DEADLINE;
}
static inline bool valid_policy(int policy)
{
        return idle_policy(policy) || fair_policy(policy) ||
                rt_policy(policy) || dl_policy(policy);
}

static inline int task_has_rt_policy(struct task_struct *p)
{
        return rt_policy(p->policy);
}

static inline int task_has_dl_policy(struct task_struct *p)
{
        return dl_policy(p->policy);
}

2.1.2 关于rt_priority数值越大, 实时进程优先级越高的问题

我们前面提到了数值越小, 优先级越高, 但是此处我们会发现rt_priority的值越大, 其普通优先级越小, 从而优先级越高.

因此网上出现了一种说法, 优先级越高？这又是怎么回事？难道有一种说法错了吗？

实际的原因是这样的，对于一个实时进程，他有两个参数来表明优先级——prio 和 rt_priority，

prio才是调度所用的最终优先级数值，这个值越小，优先级越高；

而rt_priority 被称作实时进程优先级，他要经过转化——prio=MAX_RT_PRIO - 1- p->rt_priority;

MAX_RT_PRIO = 100, ;这样意味着rt_priority值越大，优先级越高；

而内核提供的修改优先级的函数，是修改rt_priority的值，所以越大，优先级越高。

所以用户在使用实时进程或线程，在修改优先级时，就会有“优先级值越大，优先级越高的说法”，也是对的。

2.1.3 为什么需要__normal_prio函数

我们肯定会奇怪, 为什么增加了一个__normal_prio函数做了这么简单的工作, 这个其实是有历史原因的: 在早期的o(1)调度器中, 普通优先级的计算涉及相当多技巧性地工作, 必须检测交互式进程并提高其优先级, 而必须”惩罚”非交互进程, 以便是得系统获得更好的交互体验. 这需要很多启发式的计算, 他们可能完成的很好, 也可能不工作

2.2 effective_prio函数设置动态优先级prio

可以通过函数effective_prio用静态优先级static_prio计算动态优先级prio, 即·

p->prio = effective_prio(p);

该函数定义在kernel/sched/core.c, line 861

/*
 * Calculate the current priority, i.e. the priority
 * taken into account by the scheduler. This value might
 * be boosted by RT tasks, or might be boosted by
 * interactivity modifiers. Will be RT if the task got
 * RT-boosted. If not then it returns p->normal_prio.
 */
static int effective_prio(struct task_struct *p)
{
    p->normal_prio = normal_prio(p);
    /*
     * If we are RT tasks or we were boosted to RT priority,
     * keep the priority unchanged. Otherwise, update priority
     * to the normal priority:
     */
    if (!rt_prio(p->prio))
            return p->normal_prio;
    return p->prio;
}

我们会发现函数首先effective_prio设置了普通优先级, 显然我们用effective_prio同时设置了两个优先级(普通优先级normal_prio和动态优先级prio)

因此计算动态优先级的流程如下

• 设置进程的普通优先级(实时进程99-rt_priority, 普通进程为static_priority)
• 计算进程的动态优先级(实时进程则维持动态优先级的prio不变, 普通进程的动态优先级即为其普通优先级)

最后, 我们综述一下在针对不同类型进程的计算结果

进程类型	实时优先级rt_priority	静态优先级static_prio	普通优先级normal_prio	动态优先级prio
EDF调度的实时进程	rt_priority	不使用	MAX_DL_PRIO-1	维持原prio不变
RT算法调度的实时进程	rt_priority	不使用	MAX_RT_PRIO-1-rt_priority	维持原prio不变
普通进程	不使用	static_prio	static_prio	static_prio

2.2.1 为什么effective_prio使用优先级数值检测实时进程

t_prio会检测普通优先级是否在实时范围内, 即是否小于MAX_RT_PRIO.参见include/linux/sched/rt.h#L6

static inline int rt_prio(int prio)
{
    if (unlikely(prio < MAX_RT_PRIO))
        return 1;
    return 0;
}

而前面我们在normal_prio的时候, 则通过task_has_rt_policy来判断其policy属性来确定

policy == SCHED_FIFO || policy == SCHED_RR;

那么为什么effective_prio重检测实时进程是rt_prio基于优先级数值, 而非task_has_rt_policy或者rt_policy?

对于临时提高至实时优先级的非实时进程来说, 这个是必要的, 这种情况可能发生在是哦那个实时互斥量(RT-Mutex)时.

2.3 设置prio的时机

• 在新进程用wake_up_new_task唤醒时, 或者使用nice系统调用改变其静态优先级时, 则会通过effective_prio的方法设置p->prio

wake_up_new_task(), 计算此进程的优先级和其他调度参数，将新的进程加入到进程调度队列并设此进程为可被调度的，以后这个进程可以被进程调度模块调度执行。

• 进程创建时copy_process通过调用sched_fork来初始化和设置调度器的过程中会设置子进程的优先级

2.4 nice系统调用的实现

nice系统调用是的内核实现是sys_nice, 其定义在kernel/sched/core.c#L7498，

它在通过一系列检测后, 通过set_user_nice函数， 其定义在kernel/sched/core.c#L3497

关于其具体实现我们会在另外一篇博客里面详细讲

2.5 fork时优先级的继承

在进程分叉处子进程时, 子进程的静态优先级继承自父进程. 子进程的动态优先级p->prio则被设置为父进程的普通优先级, 这确保了实时互斥量引起的优先级提高不会传递到子进程.

可以参照sched_fork函数, 在进程复制的过程中copy_process通过调用sched_fork来设置子进程优先级, 参见sched_fork函数

/*
 * fork()/clone()-time setup:
 */
int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p)
{
    /*  ......  */
    /*
     * Make sure we do not leak PI boosting priority to the child.
     * 子进程的动态优先级被设置为父进程普通优先级
     */
    p->prio = current->normal_prio;

    /*
     * Revert to default priority/policy on fork if requested.
     * sched_reset_on_fork标识用于判断是否恢复默认的优先级或调度策略

     */
    if (unlikely(p->sched_reset_on_fork))  /*  如果要恢复默认的调度策略, 即SCHED_NORMAL  */
    {
        /*   首先是设置静态优先级static_prio
         *   由于要恢复默认的调度策略
         *   对于父进程是实时进程的情况, 静态优先级就设置为DEFAULT_PRIO
         *
         *   对于父进程是非实时进程的情况, 要保证子进程优先级不小于DEFAULT_PRIO
         *   父进程nice < 0即static_prio < 的重新设置为DEFAULT_PRIO的重新设置为DEFAULT_PRIO
         *   父进程nice > 0的时候, 则什么也没做
         *   */
        if (task_has_dl_policy(p) || task_has_rt_policy(p))
        {
            p->policy = SCHED_NORMAL;           /*  普通进程调度策略  */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);   /*  静态优先级为nice = 0 即DEFAULT_PRIO*/
            p->rt_priority = 0;                             /*  实时优先级为0  */
        }
        else if (PRIO_TO_NICE(p->static_prio) < 0)  /*  */
            p->static_prio = NICE_TO_PRIO(0);   /*  */

        /*  接着就通过__normal_prio设置其普通优先级和动态优先级
          *  这里做了一个优化, 因为用sched_reset_on_fork标识设置恢复默认调度策略后
          *  创建的子进程是是SCHED_NORMAL的非实时进程
          *  因此就不需要绕一大圈用effective_prio设置normal_prio和prio了
          *  直接用__normal_prio设置就可  */
        p->prio = p->normal_prio = __normal_prio(p); /*  设置*/

        /*  设置负荷权重  */
        set_load_weight(p);

        /*
         * We don't need the reset flag anymore after the fork. It has
         * fulfilled its duty:
         */
        p->sched_reset_on_fork = 0;
    }
    /*  ......  */
}

3 总结

task_struct采用了四个成员表示进程的优先级:prio和normal_prio表示动态优先级, static_prio表示进程的静态优先级. 同时还用了rt_priority表示实时进程的优先级

字段	描述
static_prio	用于保存静态优先级, 是进程启动时分配的优先级, ，可以通过nice和sched_setscheduler系统调用来进行修改, 否则在进程运行期间会一直保持恒定
prio	进程的动态优先级, 这个有显示才是调度器重点考虑的进程优先级
normal_prio	普通进程的静态优先级static_prio和调度策略计算出的优先级. 因此即使普通进程和实时进程具有相同的静态优先级, 其普通优先级也是不同的, 进程分叉(fork)时, 子进程会继承父进程的普通优先级, 可以通过normal_prio来计算(非实时进程用static_prIo计算, 实时进程用rt_priority计算)
rt_priority	实时进程的静态优先级

调度器会考虑的优先级则保存在prio. 由于在某些情况下内核需要暂时提高进程的优先级, 因此需要用prio表示. 由于这些改变不是持久的, 因此静态优先级static_prio和普通优先级normal_prio不受影响.

此外还用了一个字段rt_priority保存了实时进程的优先级静态优先级static_prio(普通进程)和实时优先级rt_priority(实时进程)是计算的起点, 通过他们计算进程的普通优先级normal_prio和动态优先级prio.

内核通过normal_prIo函数计算普通优先级normal_prio

通过effective_prio函数计算动态优先级prio

参考

进程调度之sys_nice()系统调用

linux调度器源码研究 - 概述（一）

深入 Linux 的进程优先级