Основы планирования процессов

Для обеспечения многозадачности каждый пользовательский процесс периодически прерывается, его контекст сохраняется, а управление передаётся другому процессу. Прерывание выполнения процесса может происходить по таймеру или во время обработки системного вызова. В зависимости от обстоятельств прерванный процесс ставится в очередь процессов на исполнение, в список процессов ожидающих ресурсы (например, ожидание пользовательского ввода или завершения вывода на физический носитель) или в список остановленных процессов.

Прерывания по таймеру происходят в соответствии с квантом времени, выделенному процессу. В Linux квант времени по умолчанию (DEF_TIMESLICE) равен 0,1 секунды, но может быть пересчитан планировщиком процессов (sheduler).

Системный вызов может завершиться с немедленным возвратом в пользовательскую программу, завершиться одновременно с исчерпание кванта времени или перейти в состояние ожидания ресурса .

В момент возврата в пользовательскую программу происходит доставка сигналов - т.е. вызов процедуры обработчика сигнала, остановка, перезапуск или завершение процесса. Некоторые сигналы (SIGSTOP) - приводят к тому, что процесс включается в список остановленных процессов, которые не поступают в очередь процессов на исполнение. Сигнал SIGCONT возвращает остановленный процесс в очередь процессов на исполнение, сигнал SIGKILL завершает остановленный процесс.

После завершения процесса вызовом _exit() или по сигналу все его ресурсы (память, открытые файлы) освобождаются, но запись в таблице процессов остаётся и занимает PID. Такой процесс называется "зомби" и должен быть явно очищен из таблицы процессов вызовом wait() в родительском процессе. Если родительский процесс завершился раньше дочерних, то всем его дочерним процессам приписывается значение PPID (parent pid) равное 1, возлагая обязательства по очистке от них таблицы процессов на особый процесс init с PID=1.

На диаграмме показаны различные состояния процесса

В Linux команда ps использует следующие обозначения состояния процесса:

• R выполняется (в том числе в обработчике сигнала) или стоит в очереди на выполнение
• S системный вызов ожидает ресурс, но может быть прерван
• D системный вызов ожидает ресурс, и не может быть прерван (обычно это ввод/вывод)
• T остановлен сигналом
• t остановлен отладчиком
• Z "Зомби" - завершён, но не удалён из списка процессов родительским процессом.

Планировщик процессов

Задачей планировщика процессов процессов является извлечение процессов, готовых на выполнение, в соответствии с некоторыми правилами. Планировщик старается распределить процессорные ресурсы так, чтобы ни один из процессов не простаивал длительное время, и чтобы процессы, считающиеся приоритетными, получали процессорное время в первую очередь. В многопроцессорных системах желательно, чтобы в последовательных квантах времени процесс запускался на одном и том же процессоре, чтобы максимально использовать процессорный кэш. При этом сам планировщик должен выполнять выбор как можно быстрее.

Простейшая реализация очереди в виде FIFO очень быстра, но не поддерживает приоритеты и многопроцессорность. В Linux 2.6 воспользовались простотой FIFO, добавив к ней несколько усовершенствований:

1. Было определено 140 приоритетов (100 реального времени + 40 назначаемых динамически), каждый из которых получил свою очередь FIFO. На запуск выбирается первый процесс в самой приоритетной очереди.
2. В многопроцессорных системах для каждого ядра был сформирован свой набор из 140 очередей. Раз в 0,2 секунды просматриваются размеры очередей процессоров и, при необходимости балансировки, часть процессов переносится с загруженных ядер на менее загруженные
3. Динамический приоритет назначается процессу в зависимости от отношении времени ожидания ресурсов к времени пребывания в состоянии выполнения. Чем дольше процесс ожидал ресурс, тем выше его приоритет. Таким образом, диалоговые задачи, которые 99% времени ожидают пользовательского ввода, всегда имеют наивысший приоритет.

Ссылка: Планировщик задач Linux

Прикладной программист может дополнительно понизить приоритет процесса функцией int nice(int inc); (в Linux nice() - интерфейс к вызову setpriority()). Большее значение nice означает меньший приоритет. В командной строке используется "запускалка" с таким же именем:

nice -n 50 command

Процесс Idle

Если нет процессов готовых для выполнения, то планировщик вызывает нить (процесс) Idle. В Linux 2.2 однопроцессорная кроссплатформенная версия Idle выглядела так:

int cpu_idle(void *unused) {
     for(;;)
      idle();
}

В аппаратно-зависимую реализацию idle() может быть вынесено управление энергосбережением.

В ранних версиях Linux процесс Idle имел PID=0, но, вообще говоря, Idle как самостоятельный процесс не существует.

Вычисление средней загрузки

Средняя загрузка (Load Average, LA) - усредненная мера использования ресурсов компьютера запущенными процессами. Величина LA пропорциональна числу процессоров в системе и на ненагруженной системе колеблется от нуля до значения, равного числу процессоров. Высокие значения LA (10*число ядер и более) говорят о чрезмерной нагрузке на систему и потенциальных проблемах с производительностью.

В классическом Unix LA имеет смысл среднего количества процессов в очереди на исполнение + количества выполняемых процессов за единицу времени. Т.е. LA == 1 означает, что в системе считается один процесс, LA > 1 определяет сколько процессов не смогли стартовать, поскольку им не хватило кванта времени, а LA < 1 означает, что в системе есть незагруженные ядра.

В Linux к к количеству процессов добавили ещё и процессы, ожидающих ресурсы. Теперь на рост LA значительно влияют проблемы ввода/вывода, такие как недостаточная пропускная способность сети или медленные диски.

LA усредняется по следующей формуле LA_t+1=(LA_cur+LA_t)/2. Где LA_t+1 - отображаемое значение в момент t+1, LA_cur - текущее измеренное значение, LA_t - значение отображавшееся в момент t. Таким образом сглаживаются пики и после резкого падения нагрузки значение LA будет медленно снижаться, а кратковременный пик нагрузки будет отображен половинной величиной LA.

Ссылка: Как считается Load Average

Выдача команды top

Выдача команды top в Linux на компьютере с 36 ядрами:

top - 19:43:53 up 4 days,  5:54,  1 user,  load average: 34.07, 33.75, 33.80
Tasks: 550 total,  12 running, 538 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s): 93.9 us,  0.5 sy,  0.0 ni,  5.5 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st

На компьютере запущена многопоточная счётная задача, которая занимает почти все ядра и не использует ввод/вывод. LA немного меньше 36, что согласуется с распределением времени процессора: 93.9 us - пользователь, 0.5 sy - ядро, 5.5 id - Idle, 0.0 wa - ожидание устройств.