Linux 进程组调度机制：如何对进程进行分组和调度

进程组是 Linux 系统中一种对进程进行分类和管理的方式，它可以将具有相同特征或者关系的进程放在一起，形成一个逻辑上的单元。进程组的作用是方便对进程进行控制、通信和资源分配，以提高系统的效率和安全性。进程组调度是 Linux 系统中一种对进程组进行调度的机制，它可以根据进程组的属性和需求，分配合适的 CPU 时间和资源，从而提高系统的并发性和响应性。但是，你真的了解 Linux 进程组调度机制吗？你知道如何在 Linux 下创建和管理进程组吗？你知道如何在 Linux 下使用和配置进程组调度机制吗？本文将为你详细介绍 Linux 进程组调度机制的相关知识，让你在 Linux 下更好地使用和理解这个强大的内核功能。

又碰到一个神奇的进程调度问题，在系统重启过程中，发现系统挂住了，过了30s后才重新复位，真正系统复位的原因是硬件看门狗重启的系统，而非原来正常的reboot流程。硬件狗记录的复位时间，将不喂狗的时间向前推30s分析串口记录日志，当时的日志就打印了一句话：“sched: RT throttling activated”。
从linux-3.0.101-0.7.17版本内核代码中可以看出，sched_rt_runtime_exceeded打印了这句话。在内核进程组调度过程中，实时进程调度受rt_rq->rt_throttled 的限制，下面便具体说一下涉及到的linux中进程组调度机制。

进程组调度机制

组调度是cgroup里面的概念，指将N个进程视为一个整体，参与系统中的调度过程，具体体现在示例中：A任务有8个进程或线程，B任务有2个进程或线程，仍然有其他的进程或线程存在，就需要控制A任务的CPU占用率不高于40%，B任务的CPU占用率不高于40%，其他任务占用率不少于20%，那么就有对cgroup阀值的设置，cgroup A设置为200,cgroup B设置为200,其他任务默认为100,如此便实现了CPU控制的功能。
在内核中，进程组由task_group进行管理，其中涉及的内容很多都是cgroup控制机制 ，另外开辟单元在写，此处指重点描述组调度的部分，具体见如下注释。

struct task_group {
 struct cgroup_subsys_state css;

//下面是普通进程调度使用
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
 /* schedulable entities of this group on each cpu */
//普通进程调度单元，之所以用调度单元，因为被调度的可能是一个进程，也可能是一组进程
 struct sched_entity **se;
 /* runqueue "owned" by this group on each cpu */
//公平调度队列
 struct cfs_rq **cfs_rq;
//下面就是如上示例的控制阀值
 unsigned long shares;
 atomic_t load_weight;
#endif

#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
//实时进程调度单元
 struct sched_rt_entity **rt_se;
//实时进程调度队列
 struct rt_rq **rt_rq;
//实时进程占用CPU时间的带宽（或者说比例）
 struct rt_bandwidth rt_bandwidth;
#endif

 struct rcu_head rcu;
 struct list_head list;
//task_group呈树状结构组织，有父节点，兄弟链表，孩子链表，内核里面的根节点是root_task_group
 struct task_group *parent;
 struct list_head siblings;
 struct list_head children;

#ifdef CONFIG_SCHED_AUTOGROUP
 struct autogroup *autogroup;
#endif

 struct cfs_bandwidth cfs_bandwidth;
};

调度单元有两种，即普通调度单元和实时进程调度单元。

struct sched_entity {
 struct load_weight load;  /* for load-balancing */
 struct rb_node  run_node;
 struct list_head group_node;
 unsigned int  on_rq;

 u64   exec_start;
 u64   sum_exec_runtime;
 u64   vruntime;
 u64   prev_sum_exec_runtime;

 u64   nr_migrations;

#ifdef CONFIG_SCHEDSTATS
 struct sched_statistics statistics;
#endif

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
//当前调度单元归属于某个父调度单元
 struct sched_entity *parent;
 /* rq on which this entity is (to be) queued: */
//当前调度单元归属的父调度单元的调度队列，即当前调度单元插入的队列
 struct cfs_rq  *cfs_rq;
 /* rq "owned" by this entity/group: */
//当前调度单元的调度队列，即管理子调度单元的队列，如果调度单元是task_group，my_q才会有值
//如果当前调度单元是task，那么my_q自然为NULL
 struct cfs_rq  *my_q;
#endif
 void *suse_kabi_padding;
};

struct sched_rt_entity {
 struct list_head run_list;
 unsigned long timeout;
 unsigned int time_slice;
 int nr_cpus_allowed;

 struct sched_rt_entity *back;
#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
//实时进程的管理和普通进程类似，下面三项意义参考普通进程
 struct sched_rt_entity *parent;
 /* rq on which this entity is (to be) queued: */
 struct rt_rq  *rt_rq;
 /* rq "owned" by this entity/group: */
 struct rt_rq  *my_q;
#endif
};

下面看一下调度队列，因为实时调度和普通调度队列需要说明的选项差不多，以实时队列为例：

struct rt_rq {
 struct rt_prio_array active;
 unsigned long rt_nr_running;
#if defined CONFIG_SMP || defined CONFIG_RT_GROUP_SCHED
 struct {
  int curr; /* highest queued rt task prio */
#ifdef CONFIG_SMP
  int next; /* next highest */
#endif
 } highest_prio;
#endif
#ifdef CONFIG_SMP
 unsigned long rt_nr_migratory;
 unsigned long rt_nr_total;
 int overloaded;
 struct plist_head pushable_tasks;
#endif
//当前队列的实时调度是否受限
 int rt_throttled;
//当前队列的累计运行时间
 u64 rt_time;
//当前队列的最大运行时间
 u64 rt_runtime;
 /* Nests inside the rq lock: */
 raw_spinlock_t rt_runtime_lock;

#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
 unsigned long rt_nr_boosted;
//当前实时调度队列归属调度队列
 struct rq *rq;
 struct list_head leaf_rt_rq_list;
//当前实时调度队列归属的调度单元
 struct task_group *tg;
#endif
};

通过以上3个结构体分析，可以得到下图(点击看大图)：

task_group

从图上可以看出，调度单元和调度队列组合一个树节点，又是另一种单独树结构存在，只是需要注意的是，只有调度单元里面有TASK_RUNNING的进程时，调度单元才会被放到调度队列中。
另外一点是，在没有组调度前，每个CPU上只有一个调度队列，当时可以理解成所有的进程在一个调度组里面，现在则是每个调度组在每个CPU上都有调度队列。在调度过程中，原来是系统选择一个进程运行，当前则是选择一个调度单元运行，调度发生时，schedule进程从root_task_group开始寻找由调度策略决定的调度单元，当调度单元是task_group，则进入task_group的运行队列选择一个合适的调度单元，最终找一个合适的task调度单元。整个过程就是树的遍历，拥有TASK_RUNNING进程的task_group是树的节点，task调度单元则是树的叶子。

组进程调度策略

组进程调度要实现的目的和原来没有区别，就是完成实时进程调度和普通进程调度，即rt和cfs调度。

CFS组调度策略：

文章前面示例中提到的任务分配CPU，说的就是cfs调度，对于CFS调度而言，调度单元和普通调度进程没有多大区别，调度单元由自己的调度优先级，而且不受调度进程的影响，每个task_group都有一个shares，share并非我们说的进程优先级，而是调度权重，这个是cfs调度管理的概念，但在cfs中最终体现到调度优先排序上。shares值默认都是相同的，所有没有设置权重的值，CPU都是按旧有的cfs管理分配的。总结的说，就是cfs组调度策略没变化。具体到cgroup的CPU控制机制上再说。

RT组调度策略：

实时进程的优先级是设置固定，调度器总是选择优先级最高的进程运行。而在组调度中，调度单元的优先级则是组内优先级最高的调度单元的优先级值，也就是说调度单元的优先级受子调度单元影响，如果一个进程进入了调度单元，那么它所有的父调度单元的调度队列都要重排。实际上我们看到的结果是，调度器总是选择优先级最高的实时进程调度，那么组调度对实时进程控制机制是怎么样的？
在前面的rt_rq实时进程运行队列里面提到rt_time和rt_runtime，一个是运行累计时间，一个是最大运行时间，当运行累计时间超过最大运行时间的时候，rt_throttled则被设置为1,见sched_rt_runtime_exceeded函数。

if (rt_rq->rt_time > runtime) {
 rt_rq->rt_throttled = 1;
 if (rt_rq_throttled(rt_rq)) {
  sched_rt_rq_dequeue(rt_rq);
  return 1;
 }
}

设置为1意味着实时队列中被限制了，如__enqueue_rt_entity函数，不能入队。

static inline int rt_rq_throttled(struct rt_rq *rt_rq)
{
 return rt_rq->rt_throttled && !rt_rq->rt_nr_boosted;
}
static void __enqueue_rt_entity(struct sched_rt_entity *rt_se, bool head)
{
 /*
  * Don't enqueue the group if its throttled, or when empty.
  * The latter is a consequence of the former when a child group
  * get throttled and the current group doesn't have any other
  * active members.
  */
 if (group_rq && (rt_rq_throttled(group_rq) || !group_rq->rt_nr_running))
  return;
.....
}

其实还有一个隐藏的时间概念，即sched_rt_period_us，意味着sched_rt_period_us时间内，实时进程可以占用CPU rt_runtime时间，如果实时进程每个时间周期内都没有调度，则在do_sched_rt_period_timer定时器函数中将rt_time减去一个周期，然后比较rt_runtime，恢复rt_throttled。

//overrun来自对周期时间定时器误差的校正
rt_rq->rt_time -= min(rt_rq->rt_time, overrun*runtime);
if (rt_rq->rt_throttled && rt_rq->rt_time rt_throttled = 0;
  enqueue = 1;

则对于cgroup控制实时进程的占用比则是通过rt_runtime实现的，对于root_task_group，也即是所有进程在一个cgroup下，则是通过/proc/sys/kernel/sched_rt_period_us和/proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us接口设置的，默认值是1s和0.95s。这么看以为实时进程只能占用95%CPU，那么实时进程占用CPU100%导致进程挂死的问题怎么出现了？
原来实时进程所在的CPU占用超时了，实时进程的rt_runtime可以向别的cpu借用，将其他CPU剩余的rt_runtime-rt_time的值借过来，如此rt_time可以最大等于rt_runtime，造成事实上的单核CPU达到100%。这样做的目的自然规避了实时进程缺少CPU时间而向其他核迁移的成本，未绑核的普通进程自然也可以迁移其他CPU上，不会得不到调度，当然绑核进程仍然是个杯具。

static int do_balance_runtime(struct rt_rq *rt_rq)
{
 struct rt_bandwidth *rt_b = sched_rt_bandwidth(rt_rq);
 struct root_domain *rd = cpu_rq(smp_processor_id())->rd;
 int i, weight, more = 0;
 u64 rt_period;

 weight = cpumask_weight(rd->span);

 raw_spin_lock(&rt_b->rt_runtime_lock);
 rt_period = ktime_to_ns(rt_b->rt_period);
 for_each_cpu(i, rd->span) {
  struct rt_rq *iter = sched_rt_period_rt_rq(rt_b, i);
  s64 diff;

  if (iter == rt_rq)
   continue;

  raw_spin_lock(&iter->rt_runtime_lock);
  /*
   * Either all rqs have inf runtime and there's nothing to steal
   * or __disable_runtime() below sets a specific rq to inf to
   * indicate its been disabled and disalow stealing.
   */
  if (iter->rt_runtime == RUNTIME_INF)
   goto next;

  /*
   * From runqueues with spare time, take 1/n part of their
   * spare time, but no more than our period.
   */
  diff = iter->rt_runtime - iter->rt_time;
  if (diff > 0) {
   diff = div_u64((u64)diff, weight);
   if (rt_rq->rt_runtime + diff > rt_period)
    diff = rt_period - rt_rq->rt_runtime;
   iter->rt_runtime -= diff;
   rt_rq->rt_runtime += diff;
   more = 1;
   if (rt_rq->rt_runtime == rt_period) {
    raw_spin_unlock(&iter->rt_runtime_lock);
    break;
   }
  }
next:
  raw_spin_unlock(&iter->rt_runtime_lock);
 }
 raw_spin_unlock(&rt_b->rt_runtime_lock);

 return more;
}

通过本文，你应该对 Linux 进程组调度机制有了一个深入的了解，知道了它的定义、原理、流程和优化方法。你也应该明白了进程组调度机制的作用和影响，以及如何在 Linux 下正确地使用和配置进程组调度机制。我们建议你在使用 Linux 系统时，使用进程组调度机制来提高系统的效率和安全性。同时，我们也提醒你在使用进程组调度机制时要注意一些潜在的问题和挑战，如进程组类型、优先级、限制等。希望本文能够帮助你更好地使用 Linux 系统，让你在 Linux 下享受进程组调度机制的优势和便利。

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