kernel scheduler

Linux是一个多任务操作系统，这些任务通过共享cpu的方式实现了宏观上的并行执行。

调度器的主要工作就是为这些任务分配cpu运行时间，并尽量保证它们在相同的调度策略中能得到公平的对待。

当前内核默认支持五大调度类，分别是stop调度类、deadline调度类、rt调度类、cfs调度类以及idle调度类。它们的特点如下：

1. stop_sched_class
2. dl_sched_class
3. rt_sched_class
4. fair_sched_class
5. idle_sched_class

（1）stop调度类：具有最高的优先级，它能抢占所有其它的进程，且不会被其它进程抢占。同一时刻只有一个任务被设定为stop_sched_class。

（2）deadline调度类：它的优先级介于stop调度类和rt调度类之间。主要用于那些在每个给定周期内，都需要在设定的截止期限之前被调度的任务。

deadline调度器只有一种调度策略：SCHED_DEADLINE。deadline调度器选取 deadline 距离当前时间点最近的进程并执行它。

（3）rt调度类：它的优先级低于deadline调度类，但高于cfs调度类，其主要用于那些实时性要求较高的任务。这种任务将严格按照优先级调度，低优先级的任务不能抢占高优先级任务。

但其对相同优先级的任务具有两种调度策略，SCHED_FIFO 和 SCHED_RR。其中：
SCHED_FIFO：这种任务被调度后，只能被比它优先级更高的任务抢占。而与其优先级相同的任务只能等该任务运行完成后才能被调度
SCHED_RR：它与SCHED_FIFO唯一的不同，是若就绪队列中含有与其相同优先级的任务时，它们之间采用时间片轮转的方式调度

（4）cfs调度类：它采用完全公平调度算法。它也包含两种调度策略，SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH。

SCHED_NORMAL 是 CFS 的基本实现，采用了到的 “时间片轮转“ 和 “动态优先级“ 调度机制。

    动态优先级：普通进程具有一个 nice 值来表示其优先级，nice 值越小，进程优先级越高。

    时间片轮转：如果有多个普通进程的优先级相同，则采用轮流执行的方式。

其中SCHED_BATCH是批处理进程，它的主要目的是在系统空闲时间运行一些需要大量 CPU 时间的后台任务。并不使用时间片轮转和动态优先级调度机制，而是采用了一种基于进程组的批量处理策略。该算法会将所有的后台任务进程加入到一个进程组中，该进程组会共享一个可调度时间片。

（5）idle调度类：idle进程具有最低优先级，只有当cpu上没有其它可调度进程时，才会调度该进程运行

PS:

Stop调度器是系统中优先级最高的调度器，它的主要作用是在系统任务需要处理立即处理的功能时，抢占其他任务，并且不能被其他任务抢占。

stop调度的任务优先级非常高，因此它的任务通常需要短时间完成。Stop调度器一般在SMP系统上使用，用来做cpu hotplug和进程迁移（负载均衡）。

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当产生一个调度点的时候，DL调度器总是选择其Deadline距离当前时间点最近的那个任务并调度它执行。

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Σ(WCETi / Pi) <= M - (M - 1) x Umax

每个任务的（运行时间/周期）的总和应该小于或等于处理器的数目M，减去最大的利用率Umax乘以（M-1）
Umax是所有DL任务中，（运行时间/周期）值最大的那个（即对CPU资源需求最大）。

M=1: 1/2 + 1/2 = 1 <= 1

M=2: 1/2 + 1/2 = 1 <= 2 – (2-1) * 1/2 = 3/2 

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进程优先级 

进程具有不同优先级，进程优先级是调度器选择下一个调度进程的主要依据。为此内核定义了以下四个与优先级相关的变量.

struct task_struct {

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}

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由于这两种优先级的含义并不相同，为了更方便地对它们进行统一管理，内核对其进行了归一化。其主要流程为：
（1）规定所有进程的优先级都归一化为其值越小，则优先级越高的方式。并用一个新的变量normal_prio表示

（2）普通进程的normal_prio等于其静态优先级static_prio，实时进程的normal_prio按以下公式转换：

normal_prio = MAX_RT_PRIO - 1 - rt_prio （其中MAX_RT_PRIO = 100）

通常情况下 normal_prio 在进程执行过程中是不变的。但是内核在运行过程中可能需要临时修改一个进程的优先级，以解决一些像优先级反转之类的问题。

因此内核引入了一个变量 prio 用于表示动态优先级，它在系统运行过程中可能会被临时修改，而调度器实际使用的就是动态优先级。

转换完成后，它们的关系如下图：

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内核使用以下代码实现优先级的归一化计算.

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（1）由于MAX_DL_PRIO等于0，故对于deadline调度类，其优先级固定为-1

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（2）同样由于 MAX_RT_PRIO 等于100，故对于实时调度类，其优先级为 99 – rt_prio

（3）对于普通进程，其优先级是通过nice值计算的。nice值是用户态用于表示进程优先级的一个参数，其值为-20 – 19，同样其值越小优先级越高。它与static_prio和normal_prio的关系都是有一个120的偏移。即static_prio = normal_prio = nice + 120

core.c - kernel/sched/core.c - Linux source code v6.13.6 - Bootlin Elixir Cross Referencer

（4）stop调度类，内核规定其优先级为-2。

进程优先级之间的关系如下图：

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设置默认 policy/prio

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设置子进程的调度类

初始化调度实体

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__schedule

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__pick_next_task：挑选出下一个要执行的进程。

core.c - kernel/sched/core.c - Linux source code v6.13.6 - Bootlin Elixir Cross Referencer

遍历所有调度器，根据优先级挑选出下一个要执行的进程。

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