进程管理--CFS调度器（1）

介绍

CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器)用于Linux系统中普通进程的调度。它给cfs_rq（cfs的run queue）中的每一个进程设置一个虚拟时钟，vruntime。如果一个进程得以执行，随着时间的增长（一个个tick的到来），其vruntime将不断增大。没有得到执行的进程vruntime不变。调度器总是选择vruntime跑得最慢的那个进程来执行。这就是所谓的“完全公平”。为了区别不同优先级的进程，优先级高的进程vruntime增长得慢，以至于它可能得到更多的运行机会。

CFS不区分具体的cpu算力消耗型进程，还是io消耗型进程，统一采用红黑树算法来管理所有的调度实体sched_entity，算法效率为O(log(n))。每个进程都由一个struct task_struct来表示，为什么这里又定义了一个sched_entity？这是由于调度需要一些更详细的信息，比如当前运行时间或上次运行时间，因此就搞出了一个sched_entity的概念，为了存储一些调度相关的信息，给调度器用。CFS跟踪调度实体sched_entity的虚拟运行时间vruntime，平等对待运行队列中的调度实体sched_entity，将执行时间少的调度实体sched_entity排列到红黑树的最左边。调度实体sched_entity通过enqueue_entity()和dequeue_entity()来进行红黑树的出队入队。

相关结构体

总览

• struct sched_entity：调度实体，这个也是CFS调度管理的对象
• struct cfs_rq：CFS运行队列，该结构中包含了struct rb_root_cached红黑树，用于链接调度实体struct sched_entity。rq运行队列中对应了一个CFS运行队列，此外，在task_group结构中也会为每个CPU再维护一个CFS运行队列。
• struct task_group：组调度，Linux支持将任务分组来对CPU资源进行分配管理，该结构中为系统中的每个CPU都分配了struct sched_entity调度实体和struct cfs_rq运行队列，其中struct sched_entity用于参与CFS的调度

//红黑树
struct rb_root_cached {
	struct rb_root rb_root; //红黑树的根节点
	struct rb_node *rb_leftmost; //红黑树中最左边节点
};
 
//cfs就绪队列 
struct cfs_rq {
	struct load_weight load;
	unsigned int nr_running; //就绪队列上调度实体的个数
	u64 min_vruntime; //就绪队列上所有调度实体中的最小虚拟时间
 
    /*用于跟踪调度实体按虚拟时间大小排序的红黑树的信息
    （包含红黑树的根以及红黑树中最左边节点）*/
	struct rb_root_cached tasks_timeline;
}; 

struct sched_entity {
	struct load_weight		load; //权重信息，在计算虚拟时间的时候会用到其中的inv_weight成员
    
    /*CFS调度器的每个就绪队列维护了一颗红黑树，上面挂满了就绪等待执行的task
      run_node就是挂载点*/
	struct rb_node		run_node; 
 
    //调度实体se加入就绪队列后，on_rq置1。从就绪队列删除后，on_rq置0
	unsigned int		on_rq;
    
    //调度实体已经运行实际时间总合
	u64			sum_exec_runtime;
 
    //调度实体已经运行的虚拟时间总合
	u64			vruntime;
}; 

调度类算法

struct sched_class {
	const struct sched_class *next;
 
	void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
	void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    struct task_struct * (*pick_next_task)(struct rq *rq,
					       struct task_struct *prev,
					       struct rq_flags *rf);
	void (*yield_task)   (struct rq *rq);
	bool (*yield_to_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, bool preempt);
 
	void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);

1. next：next成员指向下一个调度类（比自己低一个优先级）。在Linux中，每一个调度类都是有明确的优先级关系，高优先级调度类管理的进程会优先获得cpu使用权。
2. enqueue_task：向该调度器管理的runqueue中添加一个进程。我们把这个操作称为入队。
3. dequeue_task：向该调度器管理的runqueue中删除一个进程。我们把这个操作称为出队。
4. check_preempt_curr：当一个进程被唤醒或者创建的时候，需要检查当前进程是否可以抢占当前cpu上正在运行的进程，如果可以抢占需要标记TIF_NEED_RESCHED flag。
5. pick_next_task：通过next指针便利调度类链表，按照优先级顺序选择下一个最适合调度运行的任务，将其从rq移除，。

现在我们总结一下。Linux中所有的进程使用task_struct描述。task_struct包含很多进程相关的信息（例如，优先级、进程状态以及调度实体等）。但是，每一个调度类并不是直接管理task_struct，而是引入调度实体的概念。CFS调度器使用sched_entity跟踪调度信息。CFS调度器使用cfs_rq跟踪就绪队列信息以及管理就绪态调度实体，并维护一棵按照虚拟时间排序的红黑树。tasks_timeline->rb_root是红黑树的根，tasks_timeline->rb_leftmost指向红黑树中最左边的调度实体，即虚拟时间最小的调度实体（为了更快的选择最适合运行的调度实体，因此rb_leftmost相当于一个缓存）。每个就绪态的调度实体sched_entity包含插入红黑树中使用的节点rb_node，同时vruntime成员记录已经运行的虚拟时间。

基本概念

nice值（普通进程的优先级）

CFS调度器针对优先级提出了nice值的概念，其实和权重是一一对应的关系。nice值就是一个具体的数字，取值范围是[-20, 19]。数值越小代表优先级越大，同时也意味着权重值越大，nice值和权重之间可以互相转换。内核提供了一个表格转换nice值和权重。

const int sched_prio_to_weight[40] = {
 /* -20 */     88761,     71755,     56483,     46273,     36291,
 /* -15 */     29154,     23254,     18705,     14949,     11916,
 /* -10 */      9548,      7620,      6100,      4904,      3906,
 /*  -5 */      3121,      2501,      1991,      1586,      1277,
 /*   0 */      1024,       820,       655,       526,       423,
 /*   5 */       335,       272,       215,       172,       137,
 /*  10 */       110,        87,        70,        56,        45,
 /*  15 */        36,        29,        23,        18,        15,
}; 

数组的值可以看作是公式：weight = 1024 / 1.25nice计算得到。公式中的1.25取值依据是：进程每降低一个nice值，将多获得10% cpu的时间。公式中以1024权重为基准值计算得来，1024权重对应nice值为0，其权重被称为NICE_0_LOAD。默认情况下，大部分进程的权重基本都是NICE_0_LOAD。

virtual time（虚拟时间）

CFS调度器没有时间的概念，而是根据虚拟运行时间（抽象表示任务已运行时间）对任务进行排序，选择虚拟运行时间最小的进程进行调度

实际运行时间到 vruntime 的计算公式为：

[ vruntime = 实际运行时间 * 1024 / 进程权重 ]

vruntime值较小就说明它以前占用cpu的时间较短，受到了“不公平”对待，因此下一个运行进程就是它。这样既能公平选择进程，又能保证高优先级进程获得较多的运行时间，这就是CFS的主要思想。

执行时间

挑选的进程进行运行了，它运行多久？

进程运行的时间是根据进程的权重进行分配。

[ 分配给进程的运行时间 = 调度周期 *（进程权重 / 所有进程权重之和） ]