进程调度源码分析之CFS

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于 2023-10-18 10:12:09 首次发布

本文详细解读了CFS（CompletelyFairScheduler）调度算法，介绍了其O(1)问题的局限性，以及如何通过虚拟时间和真实时间实现公平调度。重点剖析了load_weight结构和关键函数如schedule(),__schedule(),pick_next_task()的源码工作原理。

进程调度源码分析之CFS：

在文章开始之前想要说明一下,文中内容主要参考《奔跑吧Linux内核》入门篇及卷一部分，源码的注释部分参考了gitte上大神的源码注释（Zhe Qiao/linux 5.0注释）链接如下：https://gitee.com/residual_nozzle_on_dust/linux5-0-comments/tree/master

在这里插入图片描述

1.1、算法思想：

1.1.1、O（1）的缺陷：

O(1)调度器在处理交互式进程时依然存在问题，交互式场景下导致交互式进程反应缓慢。故引入CFS完全公平算法。

1.1.2、CFS调度算法的思想：

CFS抛弃了以往的算法：

使用固定时间片；
固定调度周期；

采用了进程权重值的比重来计算实际运行时间；

理想状态下每个进程都能获得相同的时间片，并且同时运行在CPU上，但实际上一个CPU同一时刻运行的进程只能有一个。也就是说，当一个进程占用CPU时，其他进程就必须等待。CFS为了实现公平，必须惩罚当前正在运行的进程，以使那些正在等待的进程下次被调度。

为了实现这种公平，便引入虚拟时间（vruntime）、真实时间（real runtime）的概念。

虚拟时间：实际运行时间相对NICE值为0的权重的比例值；
真实时间：物理时钟下运行的时间；

1.1.3：虚拟时间及选择下一个进程：

虚拟运行时间是通过进程的实际运行时间和进程的权重（weight）计算出来的。

在这里插入图片描述

vruntime计算公式：

在这里插入图片描述

CFS中的就绪队列是一棵以vruntime为键值的红黑树，虚拟时间越小的进程越靠近整个红黑树的最左端。因此，调度器每次选择位于红黑树最左端的那个进程，该进程的vruntime最小；

1.2、源码分析:

1.2.1、 load_weight():

负荷权重用struct load_weight数据结构来表示, 保存着进程权重值weight。定义在/include/linux/sched.h中，具体内容如下：

struct load_weight {
   
   
	unsigned long	weight;//weight是调度实体的权重；
	u32	inv_weight;//inverse weight，权重的一个中间计算结果；
};

load_weight()函数内置在通用的调度实体sched_entity结构体中

struct sched_entity {
   
   
	/* For load-balancing: */
	struct load_weight		load;//内置了load_weight结构用于保存当前调度实体的权重
	struct rb_node			run_node;
	struct list_head		group_node;
	unsigned int			on_rq;

	u64				exec_start;
	u64				sum_exec_runtime;
	u64				vruntime;
	u64				prev_sum_exec_runtime;

	u64				nr_migrations;

	struct sched_statistics		statistics;

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
	int				depth;
	struct sched_entity		*parent;
	/* rq on which this entity is (to be) queued: */
	struct cfs_rq			*cfs_rq;
	/* rq "owned" by this entity/group: */
	struct cfs_rq			*my_q;
	/* cached value of my_q->h_nr_running */
	unsigned long			runnable_weight;
#endif

#ifdef CONFIG_SMP
	struct sched_avg		avg;
#endif
}