Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Процессы можно классифицировать как те, которые ограничены скоростью ввода-вывода (I/O-bound), и те, которые ограничены скоростью процессора (processor-bound). К первому типу относятся процессы, которые большую часть своего времени выполнения тратят на отправку запросов на ввод-вывод информации и на ожидание ответов на эти запросы. Следовательно, такие процессы часто готовы к выполнению, но могут выполняться только в течение короткого периода времени, так как в конце концов они блокируются в ожидании выполнения ввода-вывода (имеются в виду не только дисковые операции ввода-вывода, но и любой другой тип ввода-вывода информации, как, например, работа с клавиатурой).

Процессы, ограниченные скоростью процессора, наоборот, большую часть времени исполняют программный код. Такие процессы обычно выполняются до того момента, пока они не будут вытеснены, так как эти процессы не блокируются в ожидании на запросы ввода-вывода. Поскольку такие процессы не влияют на скорость ввода-вывода, то для обеспечения нормальной скорости реакции системы не требуется, чтобы они выполнялись часто. Стратегия планирования процессов, ограниченных скоростью процессора, поэтому предполагает, что такие процессы должны выполняться реже, но более продолжительный период времени. Конечно, оба эти класса процессов взаимно не исключают друг друга. Пример процесса, ограниченного скоростью процессора, — это выполнение бесконечного цикла.

Указанные классификации не являются взаимно исключающими. Процессы могут сочетать в себе оба типа поведения: сервер системы X Windows — это процесс, который одновременно интенсивно загружает процессор и интенсивно выполняет операции ввода-вывода. Некоторые процессы могут быть ограничены скоростью ввода-вывода, но время от времени начинают выполнять интенсивную процессорную работу. Хороший пример — текстовый процессор, который обычно ожидает нажатия клавиш, но время от времени может сильно загружать процессор, выполняя проверку орфографии.

Стратегия планирования операционной системы должна стремиться к удовлетворению двух несовместных условий: обеспечение высокой скорости реакции процессов (малого времени задержки, low latency) и высокой производительности (throughput). Для удовлетворения этим требованиям часто в планировщиках применяются сложные алгоритмы определения наиболее подходящего для выполнения процесса, которые дополнительно гарантируют, что все процессы, имеющие более низкий приоритет, также будут выполняться. В Unix-подобных операционных системах стратегия планирования направлена на то, чтобы процессы, ограниченные скоростью ввода-вывода, имели больший приоритет. Использование более высокого приоритета для процессов, ограниченных скоростью ввода-вывода, приводит к увеличению скорости реакции процессов, так как интерактивные программы обычно ограничиваются скоростью ввода-вывода. В операционной системе Linux для обеспечения хорошей скорости реакции интерактивных программ применяется оптимизация по времени оклика (обеспечение малого времени задержки), т.е. процессы, ограниченные скоростью ввода-вывода, имеют более высокий приоритет. Как будет видно далее, это реализуется таким образом, чтобы не пренебрегать и процессами, ограниченными скоростью процессора.

Приоритет процесса

Наиболее широко распространенным типом алгоритмов планирования является планирование с управлением по приоритетам (priority-based). Идея состоит в том, чтобы расположить процессы по порядку в соответствии с их важностью и необходимостью использования процессорного времени. Процессы с более высоким приоритетом будут выполняться раньше тех, которые имеют более низкий приоритет, в то время как процессы с одинаковым приоритетом планируются на выполнение циклически (по кругу, round-robin), т.е. периодически один за другим. В некоторых операционных системах, включая Linux, процессы с более высоким приоритетом получают также и более длительный квант времени. Процесс, который готов к выполнению, у которого еще не закончился квант времени и который имеет наибольший приоритет, будет выполняться всегда. Как операционная система, так и пользователь могут устанавливать значение приоритета процесса и таким образом влиять на работу планировщика системы.

В операционной системе Linux используется планировщик с динамическим управлением по приоритетам (dynamic priority-based), который основан на такой же идее. Основной принцип состоит в том, что вначале устанавливается некоторое начальное значение приоритета, а затем планировщик может динамически уменьшать или увеличивать это значение приоритета для выполнения своих задач. Например, ясно, что процесс, который тратит много времени на выполнение операций ввода-вывода, ограничен скоростью ввода-вывода. В операционной системе Linux такие процессы получают более высокое значение динамического приоритета. С другой стороны, процесс, который постоянно полностью использует свое значение кванта времени, — это процесс, ограниченный скоростью процессора. Такие процессы получают меньшее значение динамического приоритета.

В ядре Linux используется два различных диапазона приоритетов. Первый — это параметр nice, который может принимать значения в диапазоне от -20 до 19, по умолчанию значение этого параметра равно 0. Большее значение параметра nice соответствует меньшему значению приоритета — необходимо быть более тактичным к другим процессам системы (nice — англ. тактичный, хороший). Процессы с меньшим значением параметра nice (большим значением приоритета) выполняются раньше процессов с большим значением nice (меньшим приоритетом). Значение параметра nice позволяет также определить, насколько продолжительный квант времени получит процесс. Процесс со значением параметра nice равным -20 получит квант времени самой большой длительности, в то время как процесс со значением параметра nice равным 19 получит наименьшее значение кванта времени. Использование параметра nice — это стандартный способ указания приоритетов процессов для всех Unix-подобных операционных систем.

Второй диапазон значений приоритетов— это приоритеты реального времени (real-time priority), которые будут рассмотрены ниже. По умолчанию диапазон значений этого параметра лежит от 0 до 99. Все процессы реального времени имеют более высокий приоритет по сравнению с обычными процессами. В операционной системе Linux приоритеты реального времени реализованы в соответствии со стандартом POSIX. В большинстве современных Unix-систем они реализованы по аналогичной схеме.

Квант времени

Квант времени (timeslice[20]) — это численное значение, которое характеризует, как долго может выполняться задание до того момента, пока оно не будет вытеснено. Стратегия планирования должна устанавливать значение кванта времени, используемое по умолчанию, что является непростой задачей. Слишком большое значение кванта времени приведет к ухудшению интерактивной производительности системы— больше не будет впечатления, что процессы выполняются параллельно. Слишком малое значение кванта времени приведет к возрастанию накладных расходов на переключение между процессами, так как больший процент системного времени будет уходить на переключение с одного процесса с малым квантом времени на другой процесс с малым квантом времени. Более того, снова возникают противоречивые требования к процессам, ограниченным скоростью ввода-вывода и скоростью процессора. Процессам, ограниченным скоростью ввода-вывода, не требуется продолжительный квант времени, в то время как для процессов, ограниченных скоростью процессора, настоятельно требуется продолжительный квант времени, например, чтобы поддерживать кэши процессора в загруженном состоянии.

На основе этих аргументов можно сделать вывод, что любое большое значение кванта времени приведет к ухудшению интерактивной производительности. При реализации большинства операционных систем такой вывод принимается близко к сердцу и значение кванта времени, используемое по умолчанию, достаточно мало, например равно 20 мс. Однако в операционной системе Linux используется то преимущество, что процесс с самым высоким приоритетом всегда выполняется. Планировщик ядра Linux поднимает значение приоритета для интерактивных задач, что позволяет им выполняться более часто. Поэтому в ОС Linux планировщик использует достаточно большое значение кванта времени (рис 4.1). Более того, планировщик ядра Linux динамически определяет значение кванта времени процессов в зависимости от их приоритетов. Это позволяет процессам с более высоким приоритетом, которые считаются более важными, выполняться более часто и в течение большего периода времени. Использование динамического определения величины кванта времени и приоритетов позволяет обеспечить большую устойчивость и производительность планировщика.