Linux桌面GUI系统的调度器应该怎么做才不卡顿呢？

先来看看UNIX/Linux的进程调度器的来龙去脉。

关于太古老的故事，我就长话短说，主要是留下个 UNIX进程调度器从何开始 的印象，这样方便我们理解为什么Linux的进程调度器会是现在的这个效果。

最初，计算机不是分时系统，那时的计算机只能每次运行一个程序，一直到该程序运行结束，中间不能中断。如果谁想利用一台计算机做点事情，那么就必须排队，是的，就像景区游乐设施排队的那种，有时候自己的程序明明只需要执行5分钟，排队可能要排一天，因为有太多的人需要用这台计算机运行5分钟左右的程序了，当然，也有运行8分钟程序的，可能还有运行半小时的，都有。

人们拿着打在孔卡上的程序等待…

优化措施当然是不言而喻，这里面没什么哲学思想，就是普通的套路。让程序自己排队，而不是人拿着程序排队。如此优化之所以可行，有个前提，那就是 程序会自己运行到结束输出结果，程序的逻辑都是编程的人在编程阶段就确定好了的 ，程序运行期间不需要人的干涉。批处理程序就是那时产生的。

程序自己会排队之后，随着程序可能会越来越大，执行时间越来越长，程序之间的运行时间差异变得巨大，这时便有了 程序调度 的需求！比如，让短的程序先执行完，避免它等待太久。

插播一句，我们在大型超市买单结账的地方也总是会看到很多不同的收银台，比如小件物品通道，大宗购物通道等等，这就是调度。

分时系统是如何出现的，这里不细说，反正它就是出现了，时间被分成了很细很细的时间槽，每一个程序占据一个时间槽，用完了时间片就执行下一个程序。在大家把程序都录入系统中后，计算机启动，按照某个调度策略，决定优先执行哪个程序，然后下一个时间槽切换到哪个程序，如此一直到所有程序结束，拿结果，关机。

就这样，历史一直发展到UNIX的出现，进程的概念被抽象了出来， 进程调度系统 作为现代UNIX操作系统的一个独立的子系统正式出现。 携带着分时批处理系统的程序调度的基因 ， 携带着分时批处理系统的程序调度的基因 。

…

嗯，UNIX的 基于优先级时间片轮转的抢占式调度器 影响了几乎所有的操作系统的调度器的设计，包括Windows！

我们先看什么是进程优先级。

进程优先级描述了一个进程在 调度时刻的紧急程度 ，一定要强调 “在调度时刻” 这个修饰语，不然在一个进程运行过程中，另一个进程以更高优先级出现，如果不调度的话，即便是更高的优先级也不会有任何作用。

再看时间片，时间片最初的含义是一个进程在 一轮调度周期 所运行的时间，一轮调度周期的意思是 把系统中所有的进程都轮转调度一遍的事件 。

如果每一个进程的时间片都是相同的，那么它将平滑掉优先级的意义，优先级将变得仅仅影响进程第一次运行的先后顺序，后面的调度轮次中，进程优先级将起不到任何标识差异的作用。

于是，4.3BSD采用了1秒抢占制，强行插入 调度时刻 ，每间隔1秒的时间，用优先级来强制差异化(下图来自 https://blog.csdn.net/dog250/article/details/95729830)：

可见，批处理分时系统的后代们，对CPU时间是多么地吝啬，不会花费哪怕几个微秒来做一些华而不实的事情，一切以最大化吞吐为目标，至于其它的，都是辅助。

现在看 桌面操作系统 ，这种是以人的操作为基本操作，以快速响应人的操作为目标，不管是鼠标的移动，还是键盘输入，或者移动窗口，均是I/O中断驱动，如果桌面操作系统直接使用传统UNIX/Linux调度器的话，UNIX/Linux天生对这类有关 响应度 的目标不敏感，或者说压根就不感兴趣，志不同不相为谋。

不说UNIX，只说Linux，作为UNIX-Like系统，它继承了批处理分时系统的全部基因，它本来就不是为桌面而生的。

也许你会反驳说，完成下面的三件事是不是就意味着Linux可以应对桌面了呢/p>

1. 打开内核抢占。
2. 打开HZ1000。
3. 切换到CFS调度器。

很抱歉，非也。还是那句话，Linux根本就没有应对桌面场景的基因。

CFS只是让CPU分配时间的时候，更加均匀，平滑和公平，避免了饥饿问题，说实话，在提高I/O响应度方面，它其实并没有$O(1)$做得好。

对于$O(1)$调度器，根据进程的I/O睡眠情况动态调整其优先级以获得抢占当前进程的资格，这是该调度器中最最复杂的部分，这被称作 $O(1)$调度器的交互启发式算法 。该算法的目标是，在一个进程被唤醒的时候，根据其本次睡眠的时间以及睡眠的平均时间，为其计算一个新的优先级，以试图在可能的情况下抢占掉当前的进程。

简单review一下这个Linux内核史上最最复杂的启发式交互判断算法，不涉及细节，因为那样会让人迷失。

当一个进程从睡眠中被唤醒的时候，调度器根据该进程的睡眠时间会为其计算出一个 奖励值 ，根据该奖励值会提升或者降低该进程的优先级，以获得抢占的机会。

但是，这样的计算准确吗们指望它来提高桌面系统GUI的响应度来降低人能感受的延迟，可行吗/p>

假若我在拖拽一个窗口移除视线的遮挡，之后切换到另一个进程的窗口中用键盘打字，然后去调整音乐播放器的进度条，系统调度器凭什么能让所有这一切均流畅呢句话说，这些行为背后均伴随有I/O的完成，睡眠的结束，进程优先级的重新计算，CPU时间的奖励，但是，系统是如何排这几件事所在程序的进程优先级的呢凭平均睡眠时间，够吗/p>

远远不够。

我们知道，优先级是一个在进程调度的时刻瞬时有效的值，系统没有办法对时间进行区分，以使得在I/O完成的当下时刻完成合适的抢占。换句话说， 事情的紧急程度是随着时间而不断变化的！ 在每一个确定的时刻，优先级的效果都是oneshot的。

没有人频繁操作机器，没有大量种类繁多不确定的I/O完成事件，需要反馈的事件并不多，所以抢占点也并不多，Linux在这种场景下，工作的很不错，可以说是异常优秀，能保证最大化吞吐。然而，桌面环境，频繁的GUI操作，频繁的人工输入和输出，正是相反的场景。

那么该怎么办/p>

具体来讲，如何可以实现 当点击鼠标，敲击键盘时，系统快速响应，当磁盘I/O结束时，系统可以稍微等一等，当…当… 只要是有外界事件传入，均要设置抢占点，在必要的时候发生抢占。抢占的概率因事件的不同而不同，延迟敏感的事件要更容易发生抢占，而延迟不敏感的事件则可以稍缓。

其实即便时Linux甚至老式UNIX系统一直都在这样做，只是未曾察觉而已。

考虑一下中断的处理，它的优先级就比普通进程的任何优先级都要高。Linux内核十分明确，中断的处理是可以抢占一切的，并且确实也发生了抢占，中断可以抢占任何进程的执行进入中断处理函数。

把中断优先级也看成一种 进程优先级 把中断处理看做一种进程，就看出其中的道道了。

两个思路訇然而出：

1. 为什么不把和中断相关的进程处理和该中断关联，让中断返回后，该进程继续保持优高先级从而继续中断相关的后续呢/strong>
   其实Linux的softirq颇有这个意思，但是为什么不把这种事继续传递给更上层的应用程序进程呢然已经传递到下半部了，再上一层又何妨/li>
2. 为什么不把类似拖拽窗口，键盘鼠标这种事件相关联的处理进程也看作是另一种中断呢/strong>

继续下去就是，我们要把中断相关的优先级直接传递给进程，我们为try_to_wakeup函数增加一个参数，指示唤醒进程应该增加的优先级数值：

如何规定某个外设的I/O完成到底提升多少优先级呢启发式算法吗o！靠拍脑袋o！

靠统计，靠额外的分析，甚至人体工学领域的分析，调查人眼，人耳的分辨率，手敲键盘的肉体敏感程序。

是的，在编码的时候根据这些额外的调查结论，直接指定唤醒进程的优先级增量，而不是靠什么非常容易误算的平均睡眠时间之类靠非常不靠谱的额外启发式算法来猜测。

执国索因，问题是，如何确定focus字段的值呢/p>

也不难，就在窗口处理逻辑中设置就好。如果把整个窗口子系统放在内核态实现，当鼠标进入某个窗口并点击时，其处理进程获得焦点：

如果是类似X window的机制，那就直接在库函数里设置：

这样就OK咯。

事实上，Windows采用与此非常类似的做法：

• Windows将睡眠事件和优先级增量进行对应
• Windows在I/O完成事件后，用特定I/O事件对应的增量重设进程优先级，唤醒进程。
• 唤醒进程后，用新优先级实施抢占。
• 用等额时间片方式实施类似SRV4的优先级阶梯下降算法。

所以说，Windows内核的调度器是无条件随时抢占的。

Windows其实就是把窗口焦点得失事件作为像I/O事件一样作为中断一样的事件来处理的，同时，既然中断的概念被泛化，那么和纯硬件中断相反，泛化后的中断必须分层，这就有了IRQL的概念，任何一个时刻，Windows系统总是处在某一个中断级别：

• PASSIVE_LEVEL-用户态进程运行级别的中断模拟
• APC_LEVEL
• DISPATCH_LEVEL
• DIRQL-真正的硬件中断

在这一整套框架内，调度器内部的任何函数调用，都像在处理中断一般，每一个XX_LEVEL均会屏蔽其下的LEVEL的执行。每一类的中断，均有相关处理进程的优先级提升级别与之对应。将进程唤醒在那个优先级上运行，之后执行阶梯下降算法。

换句话说，Windows的进程动态优先级是I/O中断精确驱动，随时调整的，这个是和Linux采用启发式算法 微调 之间的最大之不同。

理解一个技术的机制原理非常容易，但是理解为什么会这样颇费工夫。

那么为什么Windows可以设计出和Linux截然不同的调度器，并且在应对桌面GUI处理方面绝佳呢/p>

这是和UNIX/Linux源自批处理分时系统的基因完全不同的UI基因使然。下面我们就稍微说一下这个与众不同的基因。

Windows诞生在个人计算机兴起的年代，彼时，大家都在购买，组装自己的 个人计算机电脑 。

所谓的个人计算机，字面意思无疑就是不能和大家共享的计算机，用户购买或者组装个人计算机的目的也不是去运行什么批处理数据分析，更多的是娱乐和处理日常！要知道比尔盖茨当时可是将安装Windows的PC机定位为20年后的大众消费品的，想象一下大众的需求就明白Windows善于做什么事了。

彼时的个人电脑，一直到现在，显示器，键盘鼠标都是必不可少的套件，主机甚至都能退而求其次。这些键盘鼠标显示器等外设，正是驱动进程优先级调整的主体，在这种软件架构下，操作系统无疑必须设计成那个样子。

最后，到了现在， 主机甚至消失了 ，当人们在说一体机，在谈Surface Pro的时候，看到更多是屏幕，而不是屏幕后面的那个已经被压缩成饼的主机。

对比Linux系统，除了初始安装时配置 络之外，是不需要显示器鼠标键盘的，甚至初始配置都可以不接显示器，很多 络启动，IPMI之类的都能搞定初始配置这件事，最终Linux服务器剩下的就是一台连着 线的主机，没有什么外设。这是和个人电脑截然相反的特征。

人们用这台个人电脑写文档，做 表，玩游戏，听音乐，聊天…无一不是靠频繁的I/O事件来驱动的，并且， 系统无法预测人的下一个动作是什么，是敲键盘呢，还是移动鼠标拖拽，或者直接砸了电脑/strong>

个人电脑是需要 人不断用鼠标键盘绘图板操作的电脑 的，同时 用耳朵，用眼睛不断接收电脑的反馈，几乎没有人会用Windows电脑去做什么批处理，个人电脑概括起来，那就是 ：

• 人给电脑一个输入。
• 电脑快速响应并提供计算服务。
• 电脑快速展示输出。

所以说，在个人电脑看来，没有什么进程的固定优先级会发挥重要的作用，所有进程的优先级都是随着时间随时调整的，和I/O事件以及GUI事件关联动态优先级才是根本。

嗯，来挖一下根。回到20世纪80年代的DoS时期。