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Original

Scheduler Nice Design

翻译

唐艺舟 Tang Yizhou <tangyeechou@gmail.com>

调度器nice值设计

本文档解释了新的Linux调度器中修改和精简后的nice级别的实现思路。

Linux的nice级别总是非常脆弱,人们持续不断地缠着我们,让nice +19的任务占用 更少的CPU时间。

不幸的是,在旧的调度器中,这不是那么容易实现的(否则我们早就做到了),因为对 nice级别的支持在历史上是与时间片长度耦合的,而时间片单位是由HZ滴答驱动的, 所以最小的时间片是1/HZ。

在O(1)调度器中(2003年),我们改变了负的nice级别,使它们比2.4内核更强 (人们对这一变化很满意),而且我们还故意校正了线性时间片准则,使得nice +19 的级别 _正好_ 是1 jiffy。为了让大家更好地理解它,时间片的图会是这样的(质量 不佳的ASCII艺术提醒!):

                  A
            \     | [timeslice length]
             \    |
              \   |
               \  |
                \ |
                 \|___100msecs
                  |^ . _
                  |      ^ . _
                  |            ^ . _
-*----------------------------------*-----> [nice level]
-20               |                +19
                  |
                  |

因此,如果有人真的想renice任务,相较线性规则,+19会给出更大的效果(改变 ABI来扩展优先级的解决方案在早期就被放弃了)。

这种方法在一定程度上奏效了一段时间,但后来HZ=1000时,它导致1 jiffy为 1ms,这意味着0.1%的CPU使用率,我们认为这有点过度。过度 _不是_ 因为它表示 的CPU使用率过小,而是因为它引发了过于频繁(每毫秒1次)的重新调度(因此会 破坏缓存,等等。请记住,硬件更弱、cache更小是很久以前的事了,当时人们在 nice +19级别运行数量颇多的应用程序)。

因此,对于HZ=1000,我们将nice +19改为5毫秒,因为这感觉像是正确的最小 粒度——这相当于5%的CPU利用率。但nice +19的根本的HZ敏感属性依然保持不变, 我们没有收到过关于nice +19在CPU利用率方面太 _弱_ 的任何抱怨,我们只收到 过它(依然)太 _强_ 的抱怨 :-)。

总结一下:我们一直想让nice各级别一致性更强,但在HZ和jiffies的限制下,以及 nice级别与时间片、调度粒度耦合是令人讨厌的设计,这一目标并不真正可行。

第二个关于Linux nice级别支持的抱怨是(不那么频繁,但仍然定期发生),它 在原点周围的不对称性(你可以在上面的图片中看到),或者更准确地说:事实上 nice级别的行为取决于 _绝对的_ nice级别,而nice应用程序接口本身从根本上 说是“相对”的:

int nice(int inc);

asmlinkage long sys_nice(int increment)

(第一个是glibc的应用程序接口,第二个是syscall的应用程序接口) 注意,“inc”是相对当前nice级别而言的,类似bash的“nice”命令等工具是这个 相对性应用程序接口的镜像。

在旧的调度器中,举例来说,如果你以nice +1启动一个任务,并以nice +2启动 另一个任务,这两个任务的CPU分配将取决于父外壳程序的nice级别——如果它是 nice -10,那么CPU的分配不同于+5或+10。

第三个关于Linux nice级别支持的抱怨是,负数nice级别“不够有力”,以很多人 不得不诉诸于实时调度优先级来运行音频(和其它多媒体)应用程序,比如 SCHED_FIFO。但这也造成了其它问题:SCHED_FIFO未被证明是免于饥饿的,一个 有问题的SCHED_FIFO应用程序也会锁住运行良好的系统。

v2.6.23版内核的新调度器解决了这三种类型的抱怨:

为了解决第一个抱怨(nice级别不够“有力”),调度器与“时间片”、HZ的概念 解耦(调度粒度被处理成一个和nice级别独立的概念),因此有可能实现更好、 更一致的nice +19支持:在新的调度器中,nice +19的任务得到一个HZ无关的 1.5%CPU使用率,而不是旧版调度器中3%-5%-9%的可变范围。

为了解决第二个抱怨(nice各级别不一致),新调度器令调用nice(1)对各任务的 CPU利用率有相同的影响,无论其绝对nice级别如何。所以在新调度器上,运行一个 nice +10和一个nice +11的任务会与运行一个nice -5和一个nice -4的任务的 CPU利用率分割是相同的(一个会得到55%的CPU,另一个会得到45%)。这是为什么 nice级别被改为“乘法”(或指数)——这样的话,不管你从哪个级别开始,“相对” 结果将总是一样的。

第三个抱怨(负数nice级别不够“有力”,并迫使音频应用程序在更危险的 SCHED_FIFO调度策略下运行)几乎被新的调度器自动解决了:更强的负数级别 具有重新校正nice级别动态范围的自动化副作用。