简析 Linux 的 CPU 时间( 二 ) _生活百科

CPU 保存线程 A 用户态指令，切换为内核态
保存线程 A 私有资源（栈、寄存器...）
保存线程 A 用户态资源（虚拟内存、全局变量...）
加载线程 B 用户态资源（虚拟内存、全局变量...）
加载线程 B 私有资源（栈、寄存器...）
CPU 恢复线程 B 用户态指令，切换回用户态

每次保存和恢复上下文的过程，都是在系统态进行的，并且需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。当切换次数较多时会耗费大量的 system time，进而大大缩短了真正运行进程的 user time 。
当用户线程过多时，会引起大量的上下文切换，导致不必要的性能开销。
线程调度Linux 中的线程是从父进程 fork 出的轻量进程，它们共享父进程的内存空间。
Linux 的调度策略是抢占式的，每个线程都有优先级prirority的概念，并按照优先级高低分为两种：

实时进程（优先级 0~99）
普通进程（优先级 100~139）

每个 CPU 都有自己的运行队列 runqueue，需要运行的线程会被加入到这个队列中。

文章插图
每个队列可以进一步细分为 3 个队列以及 5 种调度策略：

dl_rq
- SCHED_DEADLINE 选择 deadline 距离当前时间点最近的任务执行
rt_rq —— 可以互相抢占的实时任务
- SCHED_FIFO 一旦抢占到 CPU 资源，就会一直运行直到退出，除非被高优先级抢占
- SCHED_RR 当 CPU 时间片用完，内核会把它放到队列末尾，可以被高优先级抢占
cfs_rq —— 公平占用 CPU 时间的普通任务
- SCHED_NORMAL 普通进程
- SCHED_BATCH 后台进程

Linux 内核在选择下一个任务执行时，会按照该顺序来进行选择，也就是先从 dl_rq 里选择任务，然后从 rt_rq 里选择任务，最后从 cfs_rq 里选择任务。所以实时任务总是会比普通任务先得到执行。
实时进程的优先级总是高于普通进程，因此当系统中有实时进程运行时，普通进程几乎是无法分到时间片的。
nice 值为了保证 cfs_rq 队列的公平性，Linux 采用完全公平调度算法 CFS Completely Fair Scheduler进行调度，保证每个普通进程都尽可能被调度到。
CFS 引入了 vruntime 作为衡量是否公平的依据：

vruntime 与任务占用的 CPU 时间成正比
vruntime 与任务优先级成反比（优先级越高vruntime增长越慢）

如果一个任务的 vruntime 较小，说明它以前占用 CPU 的时间较短，受到了不公平对待，因此该进程会被优先调度，从而到达所谓的公平性。
为了实现可控的调度，Linux 为普通进程引入了 nice 值的概念。其的取值其范围是 -20 ~ +19，调整该值会改变进程的优先级：prirority += nice 。
与此同时 vruntime 计算也会受到影响：
进程的 nice 值越小, 优先级越高, 所能分到的运行时间也越多当用户进程设置了一个大于 0 的 nice 值时，其用户态的运行时间将被统计为nice time 而不是 user time 。简单来说，nice time 表示 CPU 花了多少时间用于运行低优先级的任务。
当 nice time 占比比较高时，通常是某些定时任务调度器导致的：它们会为后台任务进程设置一个较大的 nice 值，避免这些进程与其他线程争抢 CPU 资源。