Chào mừng bạn đến với Vimentor!

Hỏi đáp
Đăng ký

Process Scheduling

Lập lịch tiến trình là một trong những công việc quan trọng của tiến trình: đánh giá và sắp xếp xem tiến trình nào chạy trước, tiến trình nào chạy sau, chạy trong thời gian bao lâu (timeslice) hoặc có nên dừng tiến trình hiện tại để thực thi tiến trình khác mà nó thấy quan trọng hơn. Mục đích của việc này là đảm bảo các tiến trình yêu cầu đều được thực thi lần lượt mà vẫn đem lại trải nghiệm tốt cho người dùng. Trong hệ điều hành Linux, lập lịch được tiến hành bởi Linux kernel dựa trên việc phân loại và và xem xét tính chất, quá trình hoạt động của từng tiến trình.

Phân loại tiến trình

Để lập lịch cho tiến trình, việc đầu tiên là phải phân loại được các tiến trình trong hệ thống, từ đó mới đưa ra quyết định hợp lý cho các loại tiến trình. Linux phân loại tiến trình dựa theo đặc điểm hoạt động của tiến trình theo một trong hai loại: I/O-Bound process và Processor-Bound process.

I/O-Bound process: là tiến trình sử dụng phần lớn thời gian cho việc chờ các hoạt động input/output (chờ client socket gửi data hoặc chờ dữ liệu nhập từ bàn phím). Điển hình cho các tiến trình dạng I/O-Bound như các ứng dụng graphic user interface (GUI), vì chúng dành phần lớn thời gian để chờ người dùng nhập dữ liệu từ bàn phím hoặc chuột.

Processor-Bound process: là tiến trình sử dụng phần lớn thời gian của CPU để thực thi mã lệnh. Ví dụ cho loại tiến trình này là các chương trình compile source code như gcc, g++... Với các tiến trình lọai này, hệ điều hành có xu hướng không chạy chúng quá thường xuyên (vì chúng không hoặc rất ít chờ các hoạt động I/O) nhưng mỗi lần chạy với thời gian dài hơn.

Cách phân loại trên dựa vào đặc điểm và lịch sử hoạt động của tiến trình. Vì vậy một tiến trình có thể là I/O-bound hoặc là processor-bound, hoặc trong từng thời điểm có thể là I/O-bound hoặc Processor-bound.

Trong quá trình phát triển, Linux kernel hỗ trợ tiến trình real-time, vì vậy trong cuốn Understanding Linux Kernel, tiến trình được phân loại như sau:

Real-time Process (Tiến trình real-time): là các tiến trình yêu cầu đáp ứng lập lịch một cách nghiêm ngặt để đảm bảo xử lý và tốc độ phản hồi ở mức độ thời gian thực. Ví dụ của tiến trình real-time như các phần mềm liên quan đến xử lý phanh tự động hoặc túi khi của xe hơi, các phần mềm chỉ đường…Các tiến trình này cần được Linux kernel “đối xử” ưu tiên khi lập lịch như: độ ưu tiên cao hơn và có thể giành quyền thực thi với bất kỳ tiến trình khác có độ ưu tiên thấp, không bị các tiến trình ưu tiên thấp giành quyền trừ khi nó tự “nhả” CPU.

Normal Process (Tiến trình thường): là các tiến trình không đòi tốc độ phản hồi real-time, nên có độ ưu tiên thấp hơn tất cả các tiến trình real-time trong hệ thống. Một normal process được chia thành 2 loại sau:

  • Interactive Process: là các tiến trình tương tác với người dùng. Vì vậy nó dùng nhiều thời gian để chờ dữ liệu được nhập từ người dùng thông qua bàn phím hoặc chuột. Khi có input, tiến trình này cần được chạy càng sớm càng tốt để đảm bảo người dùng không cảm thấy ứng dụng bị lag. Các ứng dụng loại này như phần mềm text editor, shell, hoặc các ứng dụng GUI.
  • Batch Process: là các tiến trình không tương tác với người dùng. Nói cách khác, các tiến trình này cứ âm thầm chạy trong hệ thống từ đầu đến khi kết thúc mà không cần phải gián đoạn chờ các input từ người dùng (ví dụ chương trình Compiler gcc, g++…). Các tiến trình này thường sử dụng nhiều thời gian của CPU, nhưng độ ưu tiên cần thấp hơn các tiến trình interactive process.

Trong hệ điều hành Linux, việc phân loại các tiến trình được dựa theo hệ số ưu tiên Process priority của mỗi tiến trình.

Process priority

Lập lịch theo chỉ số ưu tiên của tiến trình (priority-base) là một phương pháp phổ biến ở các hệ điều hành, bao gồm cả hệ điều hành Linux. Theo đó mỗi tiến trình sẽ có hệ số priority khác nhau, hệ điều hành căn cứ vào priority để đánh gía xem tiến trình nào “xứng đáng” được chạy tiếp theo và thời gian cấp cho tiến trình đó là bao lâu. Tuy nhiên, mỗi hệ điều hành khác nhau cũng sử dụng hệ số process-priority theo cách khác nhau  Về cơ bản, tiến trình nào có priority cao hơn sẽ được chạy trước, các tiến trình có độ ưu tiên bằng nhau được lập lịch chia sẻ thời gian với nhau tùy vào chính sách lập lịch của mỗi tiến trình.

Hệ điều hành Linux cung cấp 2 loại priority: nice value cho các normal process và real-time priority cho các real-time process.

Nice value

Mỗi tiến trình có một thuộc tính là nice value, nằm trong khoảng từ -20 (ưu tiên cao nhất) đến 19 (ưu tiên thấp nhất), nice value mặc định của mỗi tiến trình là 0. Mặc dù nice value được áp dụng cho các hệ điều hành Unix, nhưng mức độ ảnh hưởng của nice value trên mỗi hệ điều hành không giống nhau tùy thuộc vào từng giải thuật lập lịch. Ví dụ với hệ điều hành Mac OS X, nice value dùng để quyết định thời gian cố định được cấp (timeslice) cho mỗi tiến trình. Với Linux, nice value không quyết định timeslice cố định cho một tiến trình, mà là một trọng số ảnh hưởng đến timeslice, nghĩa nice value càng nhỏ (priority cao) thì timeslice được cấp cho tiến trình càng lớn.

Real-time priority

Real-time priority được dùng cho real-time process và có dải từ 0 (độ ưu tiên cao nhất) đến 99 (độ ưu tiên thấp nhất). Trong Linux, tiến trình real-time có priority thấp hơn (độ ưu tiên cao hơn) sẽ được chạy trước.

Lưu ý rằng 2 khái niệm nice value và real-time priority trên là thuật ngữ của user space, trong khi lập lịch lại là 1 subsystem của Linux kernel. Linux kernel sử dụng một bảng process priority duy nhất từ 0-139; trong đó priorty từ 0-99 cho real-time process và từ 100-139 ứng với nice value từ -20 đến 19 cho normal process. Cụ thể như hình vẽ dưới đây:

Hình 1. Process priority trong Linux kernel

Như vậy ta thấy rằng, real-time process luôn luôn có hệ số priority thấp hơn (độ ưu tiên cao hơn) normal process và hiển nhiên sẽ được lập lịch ưu tiên so với normal process. Trong các phần sau của bài viết, để đồng nhất chúng ta sẽ dùng độ ưu tiên của tiến trình với quy chuẩn: hệ số priority thấp hơn đồng nghĩa với độ ưu tiên cao hơn. Các thông số priority của tiến trình có thể được kiểm tra bằng câu lệnh “top”, cụ thể như sau:

Hình 2. Linux process priority bằng câu lệnh “top”

Trong hình vẽ trên, cột PR là process priority, NI là nice value của tiến trình. Tiến trình với PR ký hiệu “rt” là real-time process, ta thấy hiển nhiên rằng đó đều là các tiến trình rất quan trọng của Linux như watchdog, migration…Lưu ý rằng giá trị priority trong cột PR là giá trị trên góc nhìn của user, giá trị này được tính bằng công thức sau:

PR = 20 + NI

Để map priority với kernel, ta dùng công thức sau:

Kernel priority = 100 + 20 +NI

Xét ví dụ của tiến trình kthreadd, nice value NI = 0 (nice value mặc định) tương ứng với priority PR = 20 và Kernel priority = 120 (kernel priority mặc định) đúng với khoảng giá trị ở hình 1.

Scheduling Policy

Cơ chế lập lịch cho tiến trình của Linux được thực hiện bởi 2 thông số ứng với mỗi tiến trình: process priority và scheduling policy. Scheduling policy giúp hệ điều hành quyết định xem tiến trình được chạy bao lâu và khi nào phải nhường quyền chạy cho tiến trình khác. Hệ điều hành Linux có các scheduling policy cho việc hỗ trợ lập lịch cho real-time process gồm SCHED_FIFO, SCHED_RR; cho normal process: SCHED_NORMAL, SCHED_IDLE và SCHED_BATCH.

Scheduling policy cho real-time process

SCHED_RR (round-robin)

Với cơ chế SCHED_RR, các tiến trình chạy tuân theo cơ chế round-robin (time-sharing): mỗi tiến trình được cấp một khoảng thời gian (hay khe thời gian) cố định được gọi là time slice. Khi một tiến trình chạy, nó sẽ chiếm giữ CPU cho đến khi xảy ra một trong các sự kiện sau:

  1. Thời gian tiến trình chạy bằng time slice được cấp cho nó
  2. Tiến trình tự động nhường CPU, trường hợp này xảy ra khi tiến trình gọi một blocking system call hoặc gọi system call sched_yield().
  3. Tiến trình bị kết thúc
  4. Tiến trình bị chiếm quyền bởi một tiến trình có độ ưu tiên cao hơn

Với trường hợp 1 và 2 ở trên, tiến trình sau khi bị mất quyền chiếm giữ CPU sẽ bị đẩy vào cuối của queue với cùng các tiến trình cùng priority khác. Với trường hợp 4, tiến trình bị chiếm quyền được đẩy vào đầu của queue, sau khi tiến trình độ ưu tiên cao hơn chạy hết time slice, nó sẽ tiếp tục thực thi cho đến khi đi hết time slice của mình.

SCHED_FIFO (first in- first out)

Chính sách SCHED_FIFO khác SCHED_RR ở điểm là không sử dụng time slice. Theo đó tiến trình đang chiếm dụng CPU sẽ tiếp tục chạy cho đến khi có một trong các sự kiện sau:

  1. Tiến trình tự động nhường CPU, tương tự như chính sách SCHED_RR ở trên
  2. Tiến trình bị kết thúc
  3. Tiến trình bị chiếm quyền bởi một tiến trình có độ ưu tiên cao hơn

Trong trường hợp 1, tiến trình sau khi bị chiếm quyền sẽ bị đẩy vào cuối queue của các tiến trình cùng priority. Với trường hợp 3, tiến trình bị chiếm quyền được đẩy vào đầu của queue, sau khi tiến trình có độ ưu tiên cao hơn dừng chiếm dụng CPU, nó sẽ tiếp tục thực thi.

Như vậy, tổng kết với 2 scheduling policy SCHED_RR và SCHEF_FIFO cho real-time process, tiến trình đang chạy bị chiếm quyền trong các trường hợp sau:

  1. Tiến trình có độ ưu tiên cao hơn đang bị block (gọi một block I/O system call như read(), select()…) chuyển sang trạng thái unblock
  2. Độ ưu tiên của một tiến trình được tăng lên cao hơn so với tiến trình đang chạy
  3. Độ ưu tiên của tiến trình đang chạy bị giảm xuống thấp hơn so với một tiến trình nào đó đang ở trạng thái runable.

Scheduling policy cho normal process

SCHED_NORMAL

Trong tiêu chuẩn Posix, SCHED_NORMAL còn được gọi là SCHED_OTHER, là scheduling policy mặc định cho các tiến trình không đòi hỏi cơ chế real-time (normal process). SCHED_NORMAL policy tuân thủ cơ chế hoạt động chia sẻ thời gian (time-sharing) round-robin tương tự chính sách SCHED_RR. Điểm khác biệt là SCHED_NORMAL không fix cứng time slice cho mỗi tiến trình mà độ dài time slice của tiến trình thay đổi theo tính toán của bộ lập lịch của Linux kernel. Cụ thể, time slice sẽ phụ thuộc vào 2 yếu tố: nice value (nice value càng thấp (ví dụ -20) thì time slice càng cao) và thời gian chờ của tiến trình (tiến trình ở trạng thái runable mà đang chờ đến lượt chạy càng lâu thì time slice càng nhiều). Cơ chế tính time slice này đảm bảo độ công bằng (fair) giữa tất cả các normal process trong hệ thống.

SCHED_BATCH

Scheduling policy SCHED_BATCH được đưa vào Linux kerne từ version 2.6.16, có thể dùng để lập lịch cho các batch process. Chính sách này tương tự như SCHED_NORMAL, chỉ khác một điểm là các tiến trình SCHED_BATCH sẽ ít được đánh thức để xem xét lập lịch hơn các tiến trình SCHED_NORMAL.

SCHED_IDLE

Scheduling policy SCHED_IDLE được đưa vào Linux kernel từ version 2.6.23. Chính sách lập lịch này cũng tương tự như policy SCHED_NORMAL nhưng làm cho tiến trình có độ ưu tiên (tương đương với nice value) rất thấp. Nice value không có ý nghĩa gì với policy này. Có thể nói các tiến trình có scheduling policy này có độ ưu tiên thấp hơn các tiến trình SCHED_NORMAL thông thường, nó chỉ được lập lịch khi không còn normal process nào yêu cầu chạy.

Lập lịch trong Hệ điều hành Linux

Các phần trên của bài viết đã giải thích các khái niệm cơ bản cho việc lập lịch cho các tiến trình. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể Linux sử dụng các khái niệm trên cho việc lập lịch như thế nào.

Như đã nói ở các phần trên, Linux chia các tiến trình làm 2 loại: real-time process và normal process. Cơ chế lập lịch cho các tiến trình real-time (priority từ 0 đến 99) dựa theo tham số priority khá rõ ràng. Với normal process, cơ chế lập lịch phức tạp hơn và có khác nhau đôi chút phụ thuộc vào bộ lập lịch được áp dụng trong Linux kernel. Bộ lập lịch chung cho các normal process hiện nay trong Linux là Completely Fair Scheduler (CFS), đây là chính sách mặc định được triển khai trên Linux kernel từ version 2.6.23.

Trong Linux kernel, process scheduler hoạt động như một module, ở đặc điểm nó cho phép nhiều scheduling policy cùng tồn tại với các loại tiến trình khác nhau. Trong scheduling module của Linux có một vòng lặp với từng tiến trình để xét xem nó thuộc schedule class nào, việc xét duyệt dựa vào process priority. Với các tiến trình có priority từ 0 đến 99 sẽ thuộc real-time schedule class, cơ chế lập lịch là SCHED_RR hoặc SCHED_FIFO. Với các tiến trình có priority từ 100-140 sẽ thuộc CFS schedule class, với cơ chế lập lịch là SCHED_NORMAL hoặc SCHED_BATCH hoặc SCHED_IDLE.

Kết luận

Sau bài học này, chúng ta nắm được các khái niệm cơ bản của process scheduling, một trong những công việc quan trọng của bất kỳ hệ điều hành nào nhằm hướng đến phục vụ đa tiến trình và đảm bảo performance của hệ thống. Hệ điều hành Linux lập lịch theo cơ chế priority base với ưu điểm là phân loại được độ quan trọng của các tiến trình, qua đó hỗ trợ được các tiến trình đòi hỏi real-time. Cơ chế lập lịch mặc định với các normal process hiện nay của Linux là Completely Fair Scheduler được áp dụng chính thức từ version 2.6.23 đã khắc phục được nhiều nhược điểm về tính công bằng (fair) so với các cơ chế trước đó. Trong bài học sau chúng ta sẽ tìm hiểu cách Linux sử dụng và quản lý thread.

Tài liệu tham khảo

Linux Programming Interface-Michael Kerrisk – Chapter 35

Mastering Linux Kernel Development : A kernel developer’s reference manual – Raghu Bharadwaj – Chapter 2

Linux kernel development-Robert Love-  Chapter 4

https://www.youtube.com/watch?v=vF3KKMI3_1s&t=361s

Khóa học liên quan

** Nếu bạn muốn viết các nội dung đặt biệt thì hãy làm theo hướng dẫn sau

Xem thêm 10 bình luận
Viết blog mới của bạn
Báo lỗi trang
Đang tải