操作系统｜多处理机调度

前面我们学习的单 CPU 调度算法，只需要考虑怎么给单个 CPU 分配进程。而现在计算机普遍是多核 CPU，多处理机调度需要同时兼顾负载均衡和处理机亲和性两大核心目标，衍生出「公共就绪队列」「私有就绪队列」两种经典实现方案。

一、多处理机调度的两大核心目标

我们先做整体类比： 多核 CPU = 公司里多个独立办公工位； 进程 = 需要办公的员工； Cache 高速缓存 = 工位桌面的临时文件收纳盒。

目标 1：负载均衡

尽可能让每一个 CPU 核心都保持忙碌，避免出现某个工位挤满人疯狂加班、其他工位长时间闲置没人干活的情况，最大化利用所有硬件算力资源。

举例：公司有 4 个工位，不能出现 3 个工位坐满员工高强度工作，1 个工位全天空着没人用的情况，要尽量把员工均匀分配到各个工位。

目标 2：处理机亲和性

尽量让同一个进程，始终固定在同一个 CPU 核心上运行，充分利用 CPU 内部的 Cache 高速缓存，减少数据重复加载带来的性能开销。

举例：员工第一天在 1 号工位办公，把常用资料、笔记都放在 1 号工位的桌面收纳盒里；如果第二天还安排他在 1 号工位，直接就能取用资料，效率很高；如果频繁把他换到 2、3、4 号工位，每次都要重新拷贝整理资料，会浪费大量时间。

简单总结两大目标的矛盾点：

• 追求极致负载均衡，容易频繁迁移进程，破坏 CPU 亲和性；
• 极致绑定 CPU 亲和性，又容易出现个别工位负载过高、其他工位闲置的不均衡问题。 多处理机调度，本质就是在这两个目标之间做权衡优化。

二、方案一：公共就绪队列（所有 CPU 共用同一个任务排队队列）

1. 方案原理

系统全局只维护唯一一条公共就绪队列，所有待运行的进程全部在这条队列里排队； 每一个 CPU 核心空闲时，都会主动去这条公共队列队首取出一个进程运行； 多个 CPU 同时访问公共队列时，必须加锁保证互斥，防止多个 CPU 同时抢到同一个进程引发数据错乱。

2. 优缺点分析

优点：天然实现负载均衡

哪个 CPU 先空闲，就会立刻去公共队列领取新任务，空闲工位会持续认领待办工作，不会出现某几个 CPU 长期闲置、某几个 CPU 满载的情况，算力天然均衡分配。

举例：公司所有员工统一在前台排队，哪个工位空了，前台就安排下一位员工过去办公，空闲工位永远优先接活，不会出现工位闲置。

缺点：进程频繁跨 CPU 迁移，处理机亲和性很差

进程本次在 CPU1 运行，时间片用完放回公共队列，下一次很可能被 CPU2、CPU3 调度执行，进程频繁在不同核心之间切换，之前 CPU 缓存里的数据全部失效，需要重新加载，严重降低运行效率。

举例：员工每次办完一件小事就回到前台重新排队，下次大概率被分配到全新工位，桌面的资料每次都要重新整理，办公效率大打折扣。

3. 如何提升公共队列下的处理机亲和性？

分为软亲和、硬亲和两种实现方式：

1. 软亲和：由操作系统调度器做规则约束，尽量优先把进程调度回上一次运行的 CPU，只是倾向性建议，不强制绑定，系统负载过高时依然可以跨 CPU 迁移。

   例子：前台尽量优先把员工安排回上一次办公的工位，工位忙不过来时再调配去其他工位。

2. 硬亲和：用户通过程序系统调用，手动指定进程只能固定在某一个或某几个 CPU 核心上运行，操作系统必须严格遵守绑定规则，绝对不允许跨 CPU 迁移。

   例子：员工向行政申请，固定只在 2 号工位办公，无论其他工位多空闲，都不会再被调配走。

三、方案二：私有就绪队列（每个 CPU 独立拥有专属就绪队列）

1. 方案原理

每一个 CPU 核心，都单独配置一条属于自己的私有就绪队列； 新进程创建时，会被分配到其中某一个 CPU 的私有就绪队列排队； CPU 只会从自己专属的就绪队列里挑选进程运行，默认不会去其他 CPU 的队列抢任务。

2. 优缺点分析

优点：天然具备优秀的处理机亲和性

进程自始至终都在同一个 CPU 的私有队列里排队运行，几乎不会跨 CPU 迁移，CPU Cache 里的临时数据可以反复复用，极大提升程序运行效率。

生活化例子：每个工位都有专属的排队员工，员工从头到尾只在这个工位办公，桌面资料可以反复使用，不用频繁迁移整理。

缺点：很容易出现负载不均衡

如果某个 CPU 的私有队列堆满大量进程，持续高负载；而其他 CPU 的私有队列任务很少甚至为空，就会出现部分核心忙、部分核心闲的资源浪费问题。

3. 私有队列如何实现负载均衡？

系统会周期性执行负载检测，通过 ** 推迁移（Push）、拉迁移（Pull）** 两种方式，在不同 CPU 之间迁移进程，平衡各个核心的任务量。

1. 推迁移（Push 推送式） 系统定时巡检所有 CPU 的负载，一旦发现某个 CPU 负载过高、队列任务堆积严重，就主动从这个繁忙 CPU 的就绪队列里，挑选一部分进程，推送到空闲 CPU 的私有就绪队列中。

例子：行政定时巡查工位，发现 3 号工位排了十几个人，1 号工位没人，就主动从 3 号队列抽调几名员工，安排去 1 号工位办公。

1. 拉迁移（Pull 拉取式） 当某个 CPU 空闲、自身私有队列没有待运行进程时，主动去其他高负载 CPU 的就绪队列里，拉取一部分进程到自己的队列执行。

例子：1 号工位员工全部办完，工位空闲，行政主动去排队人数最多的 3 号工位，抽调几名员工过来填补空闲工位。

四、两种调度方案对比表

对比维度	公共就绪队列	私有就绪队列
亲和性表现	差，进程易跨 CPU 迁移；可通过软硬亲和优化	天然优秀，进程固定在单一 CPU 运行
负载均衡	天然均衡，空闲 CPU 自动领取任务	容易失衡，需要推拉迁移手动调平负载
并发锁开销	高，多 CPU 访问全局队列必须加锁互斥	低，各 CPU 操作自身私有队列无需全局锁
典型适用场景	短期大量突发任务、追求极致算力均衡	长期稳定运行的服务进程、高性能业务（服务器主流方案）
优化手段	软亲和、硬亲和绑定 CPU	Push 推迁移、Pull 拉迁移做负载均衡

五、总结

1. 多处理机调度两大目标：负载均衡（不让 CPU 闲置）、处理机亲和性（复用 CPU 缓存，减少进程跨核心切换），二者存在一定取舍矛盾。
2. 公共就绪队列：全局单队列，均衡性好、亲和性差，通过软 / 硬亲和优化缓存命中率；多 CPU 访问需要加锁，存在锁竞争开销。
3. 私有就绪队列：每个 CPU 独立队列，天然亲和性好，容易负载失衡，依靠推迁移、拉迁移两种方式实现负载均衡，是当前服务器操作系统主流调度方案。

记忆短句

多核调度两目标，均衡亲和要协调； 公共队列均衡好，频繁换核亲和糟，软硬绑定来优化； 私有队列缓存妙，忙闲不均要微调，推拉迁移来找平。