進程調度有很多方法，這里只討論Linux下的進程調度，先說下，這個是高端面試必考題，既然我發文了，大家最好看看，而且目前看到的寫得最好的文章，推薦給大家。

====

Linux是一個支持多任務的操作系統，而多個任務之間的切換是通過?調度器?來完成，調度器?使用不同的調度算法會有不同的效果。

Linux2.4版本使用的調度算法的時間復雜度為O(n)，其主要原理是通過輪詢所有可運行任務列表，然后挑選一個最合適的任務運行，所以其時間復雜度與可運行任務隊列的長度成正比。

而Linux2.6開始替換成名為?O(1)調度算法，顧名思義，其時間復雜度為O(1)。雖然在后面的版本開始使用?CFS調度算法（完全公平調度算法），但了解?O(1)調度算法?對學習Linux調度器還是有很大幫助的，所以本文主要介紹?O(1)調度算法?的原理與實現。

由于在 Linux 內核中，任務和進程是相同的概念，所以在本文混用了任務和進程這兩個名詞。

O(1)調度算法原理

prio_array?結構

O(1)調度算法?通過優先級來對任務進行分組，可分為140個優先級（0 ~ 139，數值越小優先級越高），每個優先級的任務由一個隊列來維護。prio_array?結構就是用來維護這些任務隊列，如下代碼：

#define MAX_USER_RT_PRIO 100 #define MAX_RT_PRIO MAX_USER_RT_PRIO #define MAX_PRIO (MAX_RT_PRIO + 40)#define BITMAP_SIZE ((((MAX_PRIO+1+7)/8)+sizeof(long)-1)/sizeof(long))struct prio_array {int nr_active;unsigned long bitmap[BITMAP_SIZE];struct list_head queue[MAX_PRIO]; };

下面介紹?prio_array?結構各個字段的作用：

nr_active: 所有優先級隊列中的總任務數。

bitmap: 位圖，每個位對應一個優先級的任務隊列，用于記錄哪個任務隊列不為空，能通過?bitmap?夠快速找到不為空的任務隊列。

queue: 優先級隊列數組，每個元素維護一個優先級隊列，比如索引為0的元素維護著優先級為0的任務隊列。

下圖更直觀地展示了?prio_array?結構各個字段的關系：

如上圖所述，bitmap?的第2位和第6位為1（紅色代表為1，白色代表為0），表示優先級為2和6的任務隊列不為空，也就是說?queue?數組的第2個元素和第6個元素的隊列不為空。

runqueue?結構

另外，為了減少多核CPU之間的競爭，所以每個CPU都需要維護一份本地的優先隊列。因為如果使用全局的優先隊列，那么多核CPU就需要對全局優先隊列進行上鎖，從而導致性能下降。

每個CPU都需要維護一個?runqueue?結構，runqueue?結構主要維護任務調度相關的信息，比如優先隊列、調度次數、CPU負載信息等。其定義如下：

struct runqueue {spinlock_t lock;unsigned long nr_running,nr_switches,expired_timestamp,nr_uninterruptible;task_t *curr, *idle;struct mm_struct *prev_mm;prio_array_t *active, *expired, arrays[2];int prev_cpu_load[NR_CPUS];task_t *migration_thread;struct list_head migration_queue;atomic_t nr_iowait; };

runqueue?結構有兩個重要的字段：active?和?expired，這兩個字段在?O(1)調度算法?中起著至關重要的作用。我們先來了解一下?O(1)調度算法?的大概原理。

我們注意到?active?和?expired?字段的類型為?prio_array，指向任務優先隊列。active?代表可以調度的任務隊列，而?expired?字段代表時間片已經用完的任務隊列。active?和?expired?會進行以下兩個過程：

當?active?中的任務時間片用完，那么就會被移動到?expired?中。

當?active?中已經沒有任務可以運行，就把?expired?與?active?交換，從而?expired?中的任務可以重新被調度。

如下圖所示：

O(1)調度算法?把140個優先級的前100個（0 ~ 99）作為?實時進程優先級，而后40個（100 ~ 139）作為?普通進程優先級。實時進程被放置到實時進程優先級的隊列中，而普通進程放置到普通進程優先級的隊列中。

實時進程調度

實時進程分為?FIFO（先進先出）?和?RR（時間輪詢）?兩種，其調度算法比較簡單，如下：

先進先出的實時進程調度：如果調度器在執行某個先進先出的實時進程，那么調度器會一直運行這個進程，直至其主動放棄運行權（退出進程或者sleep等）。

時間輪詢的實時進程調度：如果調度器在執行某個時間輪詢的實時進程，那么調度器會判斷當前進程的時間片是否用完，如果用完的話，那么重新分配時間片給它，并且重新放置回?active?隊列中，然后調度到其他同優先級或者優先級更高的實時進程進行運行。

普通進程調度

每個進程都要一個動態優先級和靜態優先級，靜態優先級不會變化（進程創建時被設置），而動態優先級會隨著進程的睡眠時間而發生變化。動態優先級可以通過以下公式進行計算：

動態優先級 = max(100, min(靜態優先級 – bonus + 5), 139))

上面公式的?bonus（獎勵或懲罰）?是通過進程的睡眠時間計算出來，進程的睡眠時間越大，bonus?的值就越大，那么動態優先級就越高（前面說過優先級的值越小，優先級越高）。

另外要說明一下，實時進程的動態優先級與靜態優先級相同。

當一個普通進程被添加到運行隊列時，會先計算其動態優先級，然后按照動態優先級的值來添加到對應優先級的隊列中。而調度器調度進程時，會先選擇優先級最高的任務隊列中的進程進行調度運行。

運行時間片計算

當進程的時間用完后，就需要重新進行計算。進程的運行時間片與靜態優先級有關，可以通過以下公式進行計算：

靜態優先級 < 120，運行時間片 = max((140-靜態優先級)*20, MIN_TIMESLICE) 靜態優先級 >= 120，運行時間片 = max((140-靜態優先級)*5, MIN_TIMESLICE)

O(1)調度算法實現

接下來我們分析一下?O(1)調度算法?在內核中的實現。

時鐘中斷

時鐘中斷是由硬件觸發的，可以通過編程來設置其頻率，Linux內核一般設置為每秒產生100 ~ 1000次。時鐘中斷會觸發調用?scheduler_tick()?內核函數，其主要工作是：減少進程的可運行時間片，如果時間片用完，那么把進程從?active?隊列移動到?expired?隊列中。代碼如下：

void scheduler_tick(int user_ticks, int sys_ticks) {runqueue_t *rq = this_rq();task_t *p = current;...// 處理普通進程if (!--p->time_slice) { // 減少時間片, 如果時間片用完dequeue_task(p, rq->active); // 把進程從運行隊列中刪除set_tsk_need_resched(p); // 設置要重新調度標志p->prio = effective_prio(p); // 重新計算動態優先級p->time_slice = task_timeslice(p); // 重新計算時間片p->first_time_slice = 0;if (!rq->expired_timestamp)rq->expired_timestamp = jiffies;// 如果不是交互進程或者沒有出來饑餓狀態if (!TASK_INTERACTIVE(p) || EXPIRED_STARVING(rq)) {enqueue_task(p, rq->expired); // 移動到expired隊列} elseenqueue_task(p, rq->active); // 重新放置到active隊列}... }

上面代碼主要完成以下幾個工作：

減少進程的時間片，并且判斷時間片是否已經使用完。

如果時間片使用完，那么把進程從?active?隊列中刪除。

調用?set_tsk_need_resched()?函數設?TIF_NEED_RESCHED?標志，表示當前進程需要重新調度。

調用?effective_prio()?函數重新計算進程的動態優先級。

調用?task_timeslice()?函數重新計算進程的可運行時間片。

如果當前進程是交互進程或者出來饑餓狀態，那么重新加入到?active?隊列。

否則把今天移動到?expired?隊列。

任務調度

如果進程設置了?TIF_NEED_RESCHED?標志，那么當從時鐘中斷返回到用戶空間時，會調用?schedule()?函數進行任務調度。schedule()?函數代碼如下：

void schedule(void) {...prev = current; // 當前需要被調度的進程rq = this_rq(); // 獲取當前CPU的runqueuearray = rq->active; // active隊列// 如果active隊列中沒有進程, 那么替換成expired隊列if (unlikely(!array->nr_active)) {rq->active = rq->expired;rq->expired = array;array = rq->active;rq->expired_timestamp = 0;}idx = sched_find_first_bit(array->bitmap); // 找到最高優先級的任務隊列queue = array->queue + idx;next = list_entry(queue->next, task_t, run_list); // 獲取到下一個將要運行的進程...prev->sleep_avg -= run_time; // 減少當前進程的睡眠時間...if (likely(prev != next)) {...prev = context_switch(rq, prev, next); // 切換到next進程進行運行...}... }

上面代碼主要完成以下幾個步驟：

如果當前?runqueue?的?active?隊列為空，那么把?active?隊列與?expired?隊列進行交換。

調用?sched_find_first_bit()?函數在?bitmap?中找到優先級最高并且不為空的任務隊列索引。

減少當前進程的睡眠時間。

調用?context_switch()?函數切換到next進程進行運行。

---

推薦閱讀：

專輯|Linux文章匯總

專輯|程序人生

專輯|C語言

我的知識小密圈

關注公眾號，后臺回復「1024」獲取學習資料網盤鏈接。

歡迎點贊，關注，轉發，在看，您的每一次鼓勵，我都將銘記于心~

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux进程O(1)调度算法，面试必考哦的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。