Linux進程管理（二）進程的調度與資源限制
就緒進程最重要的特征是該進程是非阻塞的。進行用戶交互、大量讀寫文件、響應I/O和網絡事件的進程會花費大量時間來等待資源可用，在相當長的時間內無法轉為就緒狀態（長是相對於指令運行時間而言)，因此就緒進程首先應該是非阻塞的。一個就緒進程還必須至少有部分“時間片”（調度器分配給進程的運行時間)。內核用一個就緒隊列維護所有的就緒進程，一旦某進程耗光它的時間片，內核就將其移出隊列，直到所有就緒進程都耗光時間片才考慮將其放回隊列。
多任務操作系統分為兩大類：協同式和搶占式。Linux實現了後一種形式的多任務，調度器可以要求一個進程停止運行，處理器轉而運行另一個進程。這種中止正在運行的進程的行為稱做搶占，類似的，進程在被搶占前所運行的時間稱之為進程時間片（得名於調度器分配給每個就緒進程的一小片時間)。
Linux調度算法采用搶占多任務機制，支持多處理器，處理器親和度，非一致內存訪問(NUMA)，實時進程和用戶自定義優先級等特性。
時間片。如果時間片太長，進程必須等待很長時間才能運行，這減小了運行的並行性，用戶會察覺到明顯的延遲；相反的，時間片太短，大量時間會花費在進程調度上，程序的時間局部性等也不能得到保證。Linux通過動態分配進程時間片，期望在兩方面都做到最好。
持續地消耗所有可用時間片的進程稱為“處理器約束進程”。這類進程渴望CPU時間，消耗掉調度器分配的全部時間。最簡單的例子就是無限循環，其他的例子包括科學計算，數學演算和圖像處理。
多數時間處於等待資源的阻塞狀態的進程稱為“I/O約束進程”。I/O約束進程經常發起和等待文件I/O，阻塞在鍵盤輸入，或者用戶移動鼠標。I/O阻塞程序的例子包括文件實用程序，比如cp或者mv，它們除了請求內核執行I/O操作外，幾乎什麽也不做；還包括GUI應用程序，大多數時候都在等待用戶輸入。
當一個進程耗光時間片的時候，調度器會中止其運行，開始運行一個新的進程。如果沒有其他的就緒進程，內核會給予所有耗光時間片的進程新的時間片，繼續運行。在進程運行時，如果另一個高優先級進程就緒（也許先前此進程阻塞在鍵盤輸入，用戶正好敲入一個單詞)，當前運行進程被直接中止，切換到高優先級進程。因此，不會有就緒卻沒有運行的較高優先級進程，系統中的運行進程一定是最高優先級的可運行進程。保證就緒隊列中，最高優先級的運行。
線程是進程中的運行單元，所有的進程都至少有一個線程。每一個線程都獨自占有一個虛擬處理器：獨自的寄存器組，指令計數器和處理器狀態。雖然多數進程都只有一個線程，但是進程實際可以擁有很多線程，每個線程完成不同的任務，但是共享同一地址空間（也就是同樣的動態內存，映射文件，目標代碼等等)，打開的文件隊列和其他內核資源。內核把線程簡化為共享資源的進程，也就是說，內核把一個進程中的兩個線程，簡化為共享一系列內核資源（地址空間，打開的文件列表等）的兩個不同進程。
2 讓出處理器
一般來說Unix程序傾向於使用建立在可阻塞文件描述符基礎上的事件驅動機制。當進程IO阻塞時，內核將搶占處理器而不需要該進程顯式讓出處理器。Linux是一個搶占多任務操作系統，很少有合理使用sched_yield()的機會，但是它也提供了一個系統調用來允許進程主動讓出處理器。內核完全有能力作出最優化和最有效率的調度決策，這是因為，內核顯然比一個獨立的應用程序更有資格決定何時搶占哪個進程，協同多任務和搶占多任務兩種不同機制來源於對此的不同理解。
當一個線程試圖請求另一個線程已經擁有的鎖的時候，該線程需要顯式讓出處理器直到鎖可用。在內核不支持用戶空間鎖的時候，這種方法最簡單高效。然而，現代Linux線程實現(the New POSIX Threading Library,or NPTL)迎來了一個基於快速用戶互斥鎖的優化方案，即在內核中提供用戶空間鎖的支持。
2.6版本之後，調用sched_yield()的實際作用就和進程耗光時間片一樣，這不同於早期內核的處理，那時sched_yield()的效果很輕微，而且有乒乓問題。
3 進程優先級
int nice (int inc);
Nice Value [-20, 19]，默認值為0，Nice Value越小優先級越高，時間片越長。在運行進程的時候指定，Linux調度器總是優先運行高優先級線程。非Root用戶只能使用正值inc來降低優先級。
int getpriority (int which, int who);
int setpriority (int which, int who, int prio);
which指定作用對象是進程、進程組或者用戶，who指定對應的ID，為0時表示當前作用對象。同nice一樣，非Root用戶只能使用正值inc來降低優先級。
int ioprio_get (int which, int who)
int ioprio_set (int which, int who, int ioprio)
缺省情況下，I/O調度器用進程友好度決定I/O優先級，因此，設置優先級自動改變I/O優先級。作為進程優先級的補充，Linux還允許進程指定I/O優先級，內核I/O調度器總是優先響應來自於高I/O優先級的請求。
4 處理器親和度
對稱多處理SMP，是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU)，各CPU之間共享內存子系統以及總線結構，由一個操作系統控制。系統將任務隊列對稱地分布於多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統的數據處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內存、I/O和外部中斷。在對稱多處理系統中，系統資源被系統中所有CPU共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上。一般來講，SMP結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規的一般是8個到16個。SMP系統對硬件有基本的要求：
1、CPU內部必須內置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）單元。Intel多處理規範的核心就是高級可編程中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers--APICs）的使用。CPU通過彼此發送中斷來完成它們之間的通信。通過給中斷附加動作（actions），不同的CPU可以在某種程度上彼此進行控制。每個CPU有自己的APIC（成為那個CPU的本地APIC），並且還有一個I/O APIC來處理由I/O設備引起的中斷，這個I/O APIC是安裝在主板上的，但每個CPU上的APIC則不可或缺，否則將無法處理多CPU之間的中斷協調。
2、相同的產品型號，同樣類型的CPU核心。例如，雖然Athlon和Pentium III各自都內置有APIC單元，想要讓它們一起建立SMP系統是不可能的，當然，即使是Celeron和Pentium III，那樣的可能性也為0，甚至Coppermine核心的Pentium III和Tualatin的Pentium III也不能建立SMP系統--這是因為他們的運行指令不完全相同，APIC中斷協調差異也很大。
3、完全相同的運行頻率。如果要建立雙Pentium III系統，必須兩顆866MHz或者兩顆1000MHz處理器，不可以用一顆866MHz，另一顆1000MHz來組建，否則系統將無法正常點亮。
4、盡可能保持相同的產品序列編號。即使是同樣核心的相同頻率處理器，由於生產批次不同也會造成不可思議的問題。兩個生產批次的CPU作為雙處理器運行的時候，有可能會發生一顆CPU負擔過高，而另一顆負擔很少的情況，無法發揮最大性能，更糟糕的是可能導致死機，因此，應該盡可能選擇同一批生產的處理器來組建SMP系統。
在對稱多處理機（SMP)上，進程調度器必須決定每個CPU上運行哪個進程，因此，必須解決兩個問題：調度器必須充分利用系統的處理器，盡量避免處理器空閑。然而，如果一個進程曾在某一CPU上運行，進程調度器還應該盡量把它放在同一CPU上，因為處理器間的進程遷移會帶來性能損失。最大的性能損失來自於遷移帶來的緩存效應。現代SMP系統的設計中，每個處理器的緩存是各自獨立的，也就是說，處理器並不共享緩存中的數據。
決定何時移動進程來避免不平衡，稱為負載均衡，對SMP機器的性能至關重要。處理器親和度表明一個進程停留在同一處理器上的可能性。術語“軟親和度”（soft affinity)表明調度器持續調度進程到同一處理器上的自然傾向。Linux調度器盡可能地這樣做，只有當負載極端不平衡的時候，才考慮遷移進程。
然而有些時候，用戶或者應用程序需要保證進程和處理器間的綁定，這通常發生在進程非常依賴緩存，期望停留在同一處理器的情況下。術語“硬親和度”（hard affinity)描述了強制內核保證進程到處理器的綁定。進程從父進程繼承處理器親和度；在默認情況下，可能運行在任何CPU上。Linux提供兩個系統調用來獲取和設定進程的硬親和度：
int sched_setaffinity (pid_t pid, size_t setsize, const cpu_set_t set);
int sched_getaffinity (pid_t pid, size_t setsize, const cpu_set_t set);
5 實時系統
如果一個系統受到操作期限——請求和響應之間的最小量和命令次數的支配，就稱該系統是“實時”的。實時系統分為軟硬實時系統兩大類。硬實時系統對於操作期限要求非常嚴格，超過期限就會產生失敗，後果很嚴重。另一方面，軟實時系統卻不認為超過期限是一個嚴重的失敗。硬實時系統很容易分辨：防抱死系統、軍用武器系統、醫療設備、信號處理都是比較典型的例子。軟實時系統則不太容易分辨，一個比較明顯的例子是視頻處理程序：如果超過了操作時限，用戶會註意到一些質量下降，但是少量的丟幀還是可以忍受的。
Linux對進程的調度行為依賴於進程的調度策略，也稱之為調度類別。Linux提供了兩類實時調度策略作為正常默認策略的補充。頭文件<sched.h>中的預定義宏表示各個策略：分別為SCHED_FIFO,SCHED_RR和SCHED_OTHER。每一個進程都有一個與nice值無關的靜態優先級，對於普通程序，值為0；對於實時程序，它為1到99。Linux調度器始終選擇最高優先級的進程運行(靜態優先級數值最大的進程)。
1，“先進先出”策略：先進先出（FIFO)策略是沒有時間片的非常簡單的實時策略。只要沒有高優
先級進程就緒，FIFO類型進程就會持續運行。特別的，一旦FIFO類進程就緒，它就會直接搶占普通進程。FIFO型進程持續運行直到阻塞或者調用sched_yield()，或者高優先級進程就緒。當FIFO型進程阻塞時，調度器將其移出就緒隊列。
2，輪轉策略，類似於FIFO類型，僅僅引入了處理同等優先級進程的附加規則，以SCHED_RR表示。RR型的時間片僅在相同優先級的進程間相關。
3，普通調度策略，SCHED_OTHER代表標準調度策略，適用於默認的非實時進程。所有這些進程的靜態優先級都為0，因此，任意就緒FIFO或RR形進程都會搶占他們。
4，批調度策略，SCHED_BATCH是批調度或空閑調度的策略，它在某種程度上是實時調度的對立面：這種類型的進程只在系統中沒有其他就緒進程時才會運行，即使那些進程已經耗光時間片。
進程調度相關的系統調用：
int sched_get_priority_min (int policy);
int sched_get_priority_max (int policy);
int sched_getparam (pid_t pid, struct sched_param sp);
int sched_setparam (pid_t pid, const struct sched_param sp);
int sched_rr_get_interval (pid_t pid, struct timespec *tp);
實時進程樂於看到確定性。在實時計算中，如果給予相同的輸入，一個動作總是在相同的時間內產生相同的結果，我們就說這個動作是確定的。現代計算機可以說是不確定的集合體：多級緩存（命中與否不可預測)，多處理器，分頁，交換，和多任務都使估計一個動作需要多長時間變得不可能。確定性實時應用一般會盡量限制不可預測性，和最壞情況下的延時。達到目標有兩種方法。
1，數據故障預測和內存鎖定，對於分頁和交換給實時進程帶來的不確定性，“通過鎖定”或者“硬連接“來將地址空間中的頁提前放入物理內存，阻止其被交換出去。一旦頁被鎖定，內核就不會將起交換出去，任何訪問都不會引起頁錯誤，大多數實時應用都鎖定部分和全部頁面到物理內存。
2，CPU親和度和實時進程，實時應用的第二個難點在於多任務。雖然Linux內核是搶占式的，但是調度器並不總能直接調度另一個進程。有時，當前進程運行在內核中的臨界區，調度器就必須等待它退出臨界區，如果此時有一個實時進程要運行，延時將不可接受，很快就會超出操作期限。因此，多任務和分頁一樣也帶來了相似的不確定。對於多任務的解決方案也一樣：消除它。如果你的系統中有多個處理器，可以指定一個或多個專門用於實時進程。從實際效果上講，你把實時進程和多任務分離開來。一個潛在的對實時進程的優化是為每一個實時進程保留一個處理器，剩下的處理器由其他進程共享。
6資源限制
Linux內核有對進程的資源限制，明確規定了進程可以消耗的內核資源的上限，比如打開文件的數目，內存頁數，未處理的信號等等。限制是強制性的，內核不會允許進程的超過這一硬性限制。結構定義了兩個上限：軟限制和硬限制。內核對進程強制施行軟限制，但進程自身可以修改軟限制，可以是0到硬限制之間的任意值。不具備CAP_SYS_RESOURCE能力的進程（比如，非root進程)，只能調低硬限制。非特權程序不能提升硬限制，包括恢復為之前的較高的值；因此，調低硬限制是不可逆的。特權進程則可以設置硬限制為任意合法值。目前Linux提供了15種資源限制：
ResourceLimit SoftLimit HardLimit Comments
RLIMIT_AS RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 進程地址空間上限
RLIMIT_CORE 0 RLIM_INFINITY CoreDump文件最大值
RLIMIT_CPU RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 進程最長CPU時間
RLIMIT_DATA RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 進程數據段和堆的大小
RLIMIT_FSIZE RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 創建的最大文件
RLIMIT_LOCKS RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 文件鎖的最大數量
RLIMIT_MEMLOCK 8Pages 8Pages 內存鎖定最大字節數
RLIMIT_MSGQUEUE 800KB 800KB 消息隊列中分配的最大空間
RLIMIT_NICE 0 0 降底NICE值（提升優先級）的最大值
RLIMIT_NOFILE 1024 1024 可打開的最多文件數
RLIMIT_NPROC 0(Impliesnolimit) 0(Impliesnolimit) 系統任意時刻允許的最多進程數
RLIMIT_RSS RLIM_INFINITY RLIM_INFINITY 進程可以駐留在內存中的最多頁數
RLIMIT_RTPRIO 0 0 最大實時優先級
RLIMIT_SIGPENDING 0 0 用戶消息隊列中最多信號數
RLIMIT_STACK 8MB RLIM_INFINITY 棧的最大字節長度
Linux進程管理（二）進程的調度與資源限制