Linux Scheduler总览

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Linux Scheduler

Linux 5.15 中的调度算法体系结构主要包括几类调度器，分别应用于不同的调度场景，如普通进程调度、实时进程调度、死线程调度、Deadline 任务调度等。以下是 Linux 5.15 中的主要调度算法和调度类（scheduling classes）：

调度类（Scheduling Classes）

Linux 的调度器采用多调度类（Modular Scheduler Class）结构，每类代表一种策略，内核根据优先级进行选择：

调度类	优先级（高→低）	说明
`SCHED_DEADLINE`	最高	实时 Deadline（EDF）调度
`SCHED_FIFO`	高	实时 FIFO
`SCHED_RR`	高	实时 Round Robin
`SCHED_NORMAL` / `SCHED_OTHER`	中	普通进程，使用 CFS（完全公平调度器）
`SCHED_BATCH`	中	批处理任务，CFS 的变种
`SCHED_IDLE`	最低	空闲进程，系统空闲才运行
`stop_sched_class`	特殊	仅用于迁移/停止 CPU 的专用任务（如 `migration` 线程）

主要调度算法

Completely Fair Scheduler（CFS）

对应调度策略：SCHED_NORMAL / SCHED_OTHER
类名：fair_sched_class
核心算法：基于虚拟运行时间（vruntime）构建红黑树（rbtree）
目标：所有进程“公平”地获得 CPU 时间
特性：
- 支持优先级 nice 值
- 支持组调度（CGroup）
- 支持 NUMA 亲和性优化（Auto NUMA）

Real-Time Scheduler

a. SCHED_FIFO（FIFO 实时调度器）
- 类名：rt_sched_class
- 无时间片，先到先服务，不会被同优先级线程抢占
b. SCHED_RR（Round Robin 实时调度器）
- 类名：rt_sched_class
- 固定时间片轮转，同优先级任务轮流运行

SCHED_DEADLINE（Deadline 调度器）

类名：dl_sched_class
实现 Earliest Deadline First (EDF) + Constant Bandwidth Server (CBS)
支持实时性强的周期性任务
用户指定：
- runtime: 最长运行时间
- deadline: 截止时间
- period: 周期时间

sched_attr {
    __u64 sched_runtime;
    __u64 sched_deadline;
    __u64 sched_period;
}

SCHED_BATCH

类名：fair_sched_class（复用 CFS）
不考虑交互性，仅用于 CPU 密集型作业
延迟调度，降低优先级影响前台进程

SCHED_IDLE

类名：idle_sched_class
仅在 CPU 完全空闲时运行
对应如 idle thread、低优先后台任务

特殊调度器（辅助类）

stop_sched_class

用于如 migration/x、kstop 等特殊线程
不参与普通调度，优先级最高
运行于调度器需要强制控制 CPU 的情形（如 CPU hotplug）

关核心数据结构

struct task_struct：每个进程的描述符，包含 policy 字段定义调度策略
struct sched_class：调度类的定义，包含调度操作接口
struct cfs_rq / rt_rq / dl_rq：每种调度器在 runqueue 中的运行队列

总结：Linux 5.15 支持的调度策略及映射表

策略常量	用户命令	内核类名	算法	应用场景
`SCHED_OTHER`	默认	`fair_sched_class`	CFS	普通进程
`SCHED_BATCH`	`chrt -b`	`fair_sched_class`	CFS 批处理模式	批处理任务
`SCHED_IDLE`	`chrt -i`	`idle_sched_class`	最低优先级	后台或空闲任务
`SCHED_FIFO`	`chrt -f`	`rt_sched_class`	FIFO	实时控制任务
`SCHED_RR`	`chrt -r`	`rt_sched_class`	Round Robin	实时任务
`SCHED_DEADLINE`	`chrt -d`	`dl_sched_class`	EDF + CBS	高精度实时系统

混合使用 Linux 的调度算法

Linux 的调度算法是混合使用的，这是其调度器设计的核心特点之一。Linux 使用了一种称为多调度类架构（Multi-class Scheduling Architecture）的机制，允许不同类型的任务（普通、实时、Deadline 等）被分配给不同的调度类（sched_class），并在内核中分层调度，形成一个混合调度系统。

混合使用的本质机制

Linux 调度器的行为：

每个任务都有自己的调度策略（如 SCHED_FIFO, SCHED_OTHER, SCHED_DEADLINE 等）
不同策略的任务属于不同的调度类（如 dl_sched_class, rt_sched_class, fair_sched_class, idle_sched_class）
调度器按照调度类的优先级顺序，逐层查找可运行任务

简单来说：Linux 会从最高优先级的调度类往下查找，直到找到可运行任务为止。

调度类优先级从高到低如下：

dl_sched_class      （SCHED_DEADLINE）
  ↑
rt_sched_class      （SCHED_FIFO / SCHED_RR）
  ↑
fair_sched_class    （SCHED_OTHER / SCHED_BATCH）
  ↑
idle_sched_class    （SCHED_IDLE）

混合调度实际例子

场景：系统中存在三种进程

实时任务（SCHED_FIFO）
普通任务（SCHED_OTHER）
后台低优先级任务（SCHED_IDLE）

内核调度流程如下：

首先查看 dl_sched_class（是否有 SCHED_DEADLINE 任务）
没有 deadline 任务，则查看 rt_sched_class（是否有 SCHED_FIFO / RR）
没有实时任务，则执行 fair_sched_class（普通任务使用 CFS）
只有当前三类都无任务可运行，才会调度 idle_sched_class（空闲任务）

因此，如果你在系统中创建一个 SCHED_FIFO 的实时任务，即使有大量普通任务，实时任务仍会优先被调度。

调度类之间的协作和切换

不同调度类之间互相独立实现自己的调度算法（如 CFS 使用红黑树，RT 使用优先级链表）
由 pick_next_task() 在调度切换时决定当前最合适的任务
各调度类之间通过函数指针链表串联，按优先级依次执行
所有调度类的接口都定义在 struct sched_class 中，包括：

struct sched_class {
    struct sched_class *next;
    void (*enqueue_task)(...);
    struct task_struct *(*pick_next_task)(...);
    ...
};

Linux 调度算法混合使用

方面	说明
是否混合	是的，调度类之间分层级、按优先级混合调度
实现方式	各调度类实现自己的调度算法，通过统一接口连接起来
决策顺序	DEADLINE → RT → CFS → IDLE，逐层优先级查找可运行任务
混合效果	实现灵活的系统行为，既支持实时性，又保障普通进程公平运行