Linux中常见IO调度器

对于磁盘I/O，Linux提供了cfq, deadline和noop三种调度策略

考虑到硬件配置、实际应用场景（读写比例、顺序还是随机读写）的差异，上面的简单解释对于实际选择没有太大帮助，实际该选择哪个基本还是要实测来验证。不过下面几条说明供参考：

NOOP全称No Operation,中文名称电梯式调度器，该算法实现了最简单的FIFO队列，所有I/O请求大致按照先来后到的顺序进行 *** 作。NOOP实现了一个简单的FIFO队列,它像电梯的工作方式一样对I/O请求进行组织。它是基于先入先出（FIFO）队列概念的 Linux 内核里最简单的I/O 调度器。此调度程序最适合于固态硬盘。

Deadline翻译成中文是截止时间调度器，是对Linus Elevator的一种改进，它避免有些请求太长时间不能被处理。另外可以区分对待读 *** 作和写 *** 作。DEADLINE额外分别为读I/O和写I/O提供了FIFO队列。

Deadline对读写request进行了分类管理，并且在调度处理的过程中读请求具有较高优先级。这主要是因为读请求往往是同步 *** 作，对延迟时间比较敏感，而写 *** 作往往是异步 *** 作，可以尽可能的将相邻访问地址的请求进行合并，但是，合并的效率越高，延迟时间会越长。因此，为了区别对待读写请求类型，deadline采用两条链表对读写请求进行分类管理。但是，引入分类管理之后，在读优先的情况下，写请求如果长时间得到不到调度，会出现饿死的情况，因此，deadline算法考虑了写饿死的情况，从而保证在读优先调度的情况下，写请求不会被饿死。

总体来讲，deadline算法对request进行了优先权控制调度，主要表现在如下几个方面：

CFQ全称Completely Fair Scheduler ，中文名称完全公平调度器，它是现在许多 Linux 发行版的默认调度器，CFQ是内核默认选择的I/O调度器。它将由进程提交的同步请求放到多个进程队列中，然后为每个队列分配时间片以访问磁盘。 对于通用的服务器是最好的选择，CFQ均匀地分布对I/O带宽的访问 。CFQ为每个进程和线程，单独创建一个队列来管理该进程所产生的请求,以此来保证每个进程都能被很好的分配到I/O带宽，I/O调度器每次执行一个进程的4次请求。该算法的特点是按照I/O请求的地址进行排序，而不是按照先来后到的顺序来进行响应。简单来说就是给所有同步进程分配时间片，然后才排队访问磁盘。

多队列无 *** 作I / O调度程序。不对请求进行重新排序，最小的开销。NVME等快速随机I / O设备的理想选择。

这是对最后期限I / O调度程序的改编，但设计用于 多队列设备。一个出色的多面手，CPU开销相当低。

上回书说到 Linux进程的由来 和 Linux进程的创建 ，其实在同一时刻只能支持有限个进程或线程同时运行(这取决于CPU核数量，基本上一个进程对应一个CPU)，在一个运行的 *** 作系统上可能运行着很多进程，如果运行的进程占据CPU的时间很长，就有可能导致其他进程饿死。为了解决这种问题， *** 作系统引入了 进程调度器 来进行进程的切换，轮流让各个进程使用CPU资源。

1）rq： 进程的运行队列( runqueue)， 每个CPU对应一个 ，包含自旋锁(spinlock)、进程数量、用于公平调度的CFS信息结构、当前运行的进程描述符等。实际的进程队列用红黑树来维护(通过CFS信息结构来访问)。

2）cfs_rq： cfs调度的进程运行队列信息 ，包含红黑树的根结点、正在运行的进程指针、用于负载均衡的叶子队列等。

3）sched_entity： 把需要调度的东西抽象成调度实体 ，调度实体可以是进程、进程组、用户等。这里包含负载权重值、对应红黑树结点、 虚拟运行时vruntime 等。

4）sched_class：把 调度策略(算法)抽象成调度类 ，包含一组通用的调度 *** 作接口。接口和实现是分离，可以根据调度接口去实现不同的调度算法，使一个Linux调度程序可以有多个不同的调度策略。

1） 关闭内核抢占 ，初始化部分变量。获取当前CPU的ID号，并赋值给局部变量CPU， 使rq指向CPU对应的运行队列 。 标识当前CPU发生任务切换 ，通知RCU更新状态，如果当前CPU处于rcu_read_lock状态，当前进程将会放入rnp->blkd_tasks阻塞队列，并呈现在rnp->gp_tasks链表中。 关闭本地中断 ，获取所要保护的运行队列的自旋锁， 为查找可运行进程做准备 。

2） 检查prev的状态，更新运行队列 。如果不是可运行状态，而且在内核态没被抢占，应该从运行队列中 删除prev进程 。如果是非阻塞挂起信号，而且状态为TASK_INTER-RUPTIBLE，就把该进程的状态设置为TASK_RUNNING，并将它 插入到运行队列 。

3）task_on_rq_queued(prev) 将pre进程插入到运行队列的队尾。

4）pick_next_task 选取将要执行的next进程。

5）context_switch(rq, prev, next)进行 进程上下文切换 。

1) 该进程分配的CPU时间片用完。

2) 该进程主动放弃CPU(例如IO *** 作)。

3) 某一进程抢占CPU获得执行机会。

Linux并没有使用x86 CPU自带的任务切换机制，需要通过手工的方式实现了切换。

进程创建后在内核的数据结构为task_struct ， 该结构中有掩码属性cpus_allowed，4个核的CPU可以有4位掩码，如果CPU开启超线程，有一个8位掩码，进程可以运行在掩码位设置为1的CPU上。

Linux内核API提供了两个系统调用 ，让用户可以修改和查看当前的掩码：

1) sched_setaffinity()：用来修改位掩码。

2) sched_getaffinity()：用来查看当前的位掩码。

在下次task被唤醒时，select_task_rq_fair根据cpu_allowed里的掩码来确定将其置于哪个CPU的运行队列，一个进程在某一时刻只能存在于一个CPU的运行队列里。

在Nginx中，使用了CPU亲和度来完成某些场景的工作：

worker_processes      4

worker_cpu_affinity 0001001001001000

上面这个配置说明了4个工作进程中的每一个和一个CPU核挂钩。如果这个内容写入Nginx的配置文件中，然后Nginx启动或者重新加载配置的时候，若worker_process是4，就会启用4个worker，然后把worker_cpu_affinity后面的4个值当作4个cpu affinity mask，分别调用ngx_setaffinity，然后就把4个worker进程分别绑定到CPU0～3上。

worker_processes      2

worker_cpu_affinity 01011010

上面这个配置则说明了两个工作进程中的每一个和2个核挂钩。

主要参考 ：Linux manual page - sched

自从linux内核2.6.23以来，默认的进程调度器就被设置为完全公平调度器（CFS，complete fair scheduler），取代了之前的O(1)调度器。

每个线程都有一个静态调度优先级，即 sched_priority 字段。

一个线程的调度策略决定了线程会被插入到同级静态优先级的线程队列的位置，以及它在队列中会怎样移动。

所有的调度都是可插入的，如果一个更高静态优先级的线程准备好了，现在运行中的线程就会被插入。而调度策略则仅仅影响了同样静态优先级的线程。

进程（线程）可以通过系统调用设置自身或者其他进程（线程）的调度策略。

其中 pid 为0时，设置自身的调度策略和参数。结构体 sched_attr 包含以下字段： size 、 sched_policy （即调度策略，具体会在下一节介绍）、 sched_flags 、 sched_nice 、 sched_runtime 、 sched_deadline 、 sched_period （最后三个为 SCHED_DEADLINE 相关的参数）。当设置成功，系统调用返回0；否则返回-1，并会设置 errno 。

普通进程： SCHED_OTHER / SCHED_BATCH / SCHED_IDLE

实时进程： SCHED_FIFO / SCHED_RR

特殊实时进程： SCHED_DEADLINE

静态优先级：Static_priority：对于普通进程，静态优先级为0；对于实时进程，静态优先级为1-99，99为最高优先级。

动态优先级：Dynamic_priority：仅对普通进程有用，取决于nice和一个动态调整的量（比如进程ready却没被调度，则增加）。

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