Linux-进程的管理与调度22(基于6.1内核)

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Linux-进程的管理与调度22(基于6.1内核)---Linux进程调度CFS简介

一、 CFS概述

CFS（Completely Fair Scheduler）是 Linux 内核中的默认调度器，旨在提供公平的 CPU 时间分配。它的主要目标是确保系统中所有进程根据其需求公平地共享 CPU 资源，并通过一个高效的调度算法确保系统的响应性和吞吐量。

CFS 的设计目标：

公平性（Fairness）：CFS 设计的核心目标是保证每个进程（或者说任务）公平地获取 CPU 时间，避免某些进程长时间占用 CPU 资源，而其他进程被“饿死”。
低延迟（Low Latency）：调度器需要快速响应新的任务和请求，确保进程之间的切换不会引入过高的延迟。
高吞吐量（High Throughput）：同时，调度器也应当尽量保证高效执行，减少不必要的调度开销，以提升整体吞吐量。

CFS 的主要特性：

CFS 的工作方式与传统的时间片轮转（Round Robin）调度器不同，它并不是简单地给每个进程分配固定时间片，而是通过一个更为复杂的算法来计算进程的“虚拟运行时间”，并依据此时间来决定哪个进程应该执行。

1. 虚拟运行时间（Virtual Runtime）：

CFS 通过维护每个进程的虚拟运行时间（vruntime）来进行调度。虚拟运行时间是一个不断增长的值，反映了进程运行的多少。每当进程运行时，其虚拟运行时间会根据进程的优先级（权重）增加。虚拟运行时间较小的进程被认为需要更多的 CPU 时间，因此它们会被优先调度。
进程的虚拟运行时间是一个加权值，进程的优先级越高（权重越大），其虚拟运行时间的增加速度就越慢。这样，优先级高的进程会相对较长时间地占用 CPU，直到其虚拟运行时间增加到一定程度。

2. 红黑树（Red-Black Tree）：

CFS 使用一个 红黑树 来存储所有可运行的进程。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，能够提供对进程的快速插入、删除和查找操作。
树中的每个节点代表一个进程，节点的排序依据是进程的虚拟运行时间。虚拟运行时间较小的进程被放在树的左侧，因此这些进程会被优先选择执行。

3. 调度过程：

每当调度器决定调度下一个进程时，CFS 会从红黑树中选择虚拟运行时间最小的进程进行执行。这个进程就会被分配到 CPU 上。
如果当前进程的虚拟运行时间最小，它会继续运行，直到它的虚拟时间达到一定的阈值或者被新的任务抢占。

4. 动态调整（动态权重）：

进程的权重（即优先级）是动态调整的。CFS 不依赖固定的优先级，而是通过 nice 值和负载来动态计算进程的权重。
nice 值：nice 值决定了进程的优先级，数值越大，优先级越低，进程的虚拟运行时间增加得越快，反之亦然。

5. 多核处理器优化：

在多核系统中，CFS 会尽量将进程分配到不同的 CPU 核心上，以提高系统的并行性和性能。CFS 会尝试保持进程在同一个 CPU 核心上运行，以减少进程的上下文切换和缓存失效。

CFS 与传统调度器的对比：

CFS 相比于传统的基于时间片轮转的调度器有以下几个显著优势：

公平性：CFS 基于虚拟运行时间来进行调度，避免了传统时间片调度器可能导致的某些进程被长期饿死的情况。
无固定时间片：CFS 不需要为每个进程分配固定的时间片，而是根据进程的运行情况动态调整 CPU 时间的分配。
高效：使用红黑树结构和虚拟运行时间算法，CFS 能够高效地管理进程调度，避免了不必要的调度开销。

CFS 工作流程简述：

新进程加入：当一个新进程加入系统时，它会被插入到红黑树中，初始时其虚拟运行时间为 0。
进程执行：当一个进程被调度执行时，CFS 会按照虚拟运行时间的顺序选择下一个进程。在执行期间，该进程的虚拟运行时间会不断增加。
进程阻塞：如果进程发生阻塞（例如等待 I/O 操作），CFS 会将它移出红黑树，直到进程恢复运行后重新计算虚拟运行时间并放入调度队列。
进程唤醒：当一个等待的进程被唤醒时，CFS 会重新评估该进程的虚拟运行时间，并决定是否需要调度该进程执行。

二、 CFS完全公平调度器

2.1、 CFS调度器类fair_sched_class

CFS完全公平调度器的调度器类叫fair_sched_class, 它是我们熟知的是struct sched_class调度器类类型, 将我们的CFS调度器与一些特定的函数关联起来。kernel/sched/fair.c

/*
 * All the scheduling class methods:
 */
const struct sched_class fair_sched_class = {
        .next                   = &idle_sched_class,  /*  下个优先级的调度类, 所有的调度类通过next链接在一个链表中*/
        .enqueue_task           = enqueue_task_fair,
        .dequeue_task           = dequeue_task_fair,
        .yield_task             = yield_task_fair,
        .yield_to_task          = yield_to_task_fair,

        .check_preempt_curr     = check_preempt_wakeup,

        .pick_next_task         = pick_next_task_fair,
        .put_prev_task          = put_prev_task_fair,

#ifdef CONFIG_SMP
        .select_task_rq         = select_task_rq_fair,
        .migrate_task_rq        = migrate_task_rq_fair,

        .rq_online              = rq_online_fair,
        .rq_offline             = rq_offline_fair,

        .task_waking            = task_waking_fair,
        .task_dead              = task_dead_fair,
        .set_cpus_allowed       = set_cpus_allowed_common,
#endif

        .set_curr_task          = set_curr_task_fair,
        .task_tick              = task_tick_fair,
        .task_fork              = task_fork_fair,

        .prio_changed           = prio_changed_fair,
        .switched_from          = switched_from_fair,
        .switched_to            = switched_to_fair,

        .get_rr_interval        = get_rr_interval_fair,

        .update_curr            = update_curr_fair,

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
        .task_move_group        = task_move_group_fair,
#endif
};

成员	描述
enqueue_task	向就绪队列中添加一个进程, 某个任务进入可运行状态时，该函数将得到调用。它将调度实体（进程）放入红黑树中，并对 nr_running 变量加 1
dequeue_task	将一个进程从就就绪队列中删除, 当某个任务退出可运行状态时调用该函数，它将从红黑树中去掉对应的调度实体，并从 nr_running 变量中减 1
yield_task	在进程想要资源放弃对处理器的控制权的时, 可使用在sched_yield系统调用, 会调用内核API yield_task完成此工作. compat_yield sysctl 关闭的情况下，该函数实际上执行先出队后入队；在这种情况下，它将调度实体放在红黑树的最右端
check_preempt_curr	该函数将检查当前运行的任务是否被抢占。在实际抢占正在运行的任务之前，CFS 调度程序模块将执行公平性测试。这将驱动唤醒式（wakeup）抢占
pick_next_task	该函数选择接下来要运行的最合适的进程
put_prev_task	用另一个进程代替当前运行的进程
set_curr_task	当任务修改其调度类或修改其任务组时，将调用这个函数
task_tick	在每次激活周期调度器时, 由周期性调度器调用, 该函数通常调用自 time tick 函数；它可能引起进程切换。这将驱动运行时（running）抢占
task_new	内核调度程序为调度模块提供了管理新任务启动的机会, 用于建立fork系统调用和调度器之间的关联, 每次新进程建立后, 则用new_task通知调度器, CFS 调度模块使用它进行组调度，而用于实时任务的调度模块则不会使用这个函数

2.2、 CFS的就绪队列

就绪队列是全局调度器许多操作的起点, 但是进程并不是由就绪队列直接管理的, 调度管理是各个调度器的职责, 因此在各个就绪队列中嵌入了特定调度类的子就绪队列(cfs的顶级调度就队列 struct cfs_rq, 实时调度类的就绪队列struct rt_rq和deadline调度类的就绪队列struct dl_rq。

/* CFS-related fields in a runqueue */
/* CFS调度的运行队列，每个CPU的rq会包含一个cfs_rq，而每个组调度的sched_entity也会有自己的一个cfs_rq队列 */
struct cfs_rq {
    /* CFS运行队列中所有进程的总负载 */
    struct load_weight load;
    /*
     *  nr_running: cfs_rq中调度实体数量
     *  h_nr_running: 只对进程组有效，其下所有进程组中cfs_rq的nr_running之和
    */
    unsigned int nr_running, h_nr_running;

    u64 exec_clock;

    /*
     * 当前CFS队列上最小运行时间，单调递增
     * 两种情况下更新该值: 
     * 1、更新当前运行任务的累计运行时间时
     * 2、当任务从队列删除去，如任务睡眠或退出，这时候会查看剩下的任务的vruntime是否大于min_vruntime，如果是则更新该值。
     */

    u64 min_vruntime;
#ifndef CONFIG_64BIT
    u64 min_vruntime_copy;
#endif
    /* 该红黑树的root */
    struct rb_root tasks_timeline;
     /* 下一个调度结点(红黑树最左边结点，最左边结点就是下个调度实体) */
    struct rb_node *rb_leftmost;

    /*
     * 'curr' points to currently running entity on this cfs_rq.
     * It is set to NULL otherwise (i.e when none are currently running).
     * curr: 当前正在运行的sched_entity（对于组虽然它不会在cpu上运行，但是当它的下层有一个task在cpu上运行，那么它所在的cfs_rq就把它当做是该cfs_rq上当前正在运行的sched_entity）
     * next: 表示有些进程急需运行，即使不遵从CFS调度也必须运行它，调度时会检查是否next需要调度，有就调度next
     *
     * skip: 略过进程(不会选择skip指定的进程调度)
     */
    struct sched_entity *curr, *next, *last, *skip;

#ifdef  CONFIG_SCHED_DEBUG
    unsigned int nr_spread_over;
#endif

#ifdef CONFIG_SMP
    /*
     * CFS load tracking
     */
    struct sched_avg avg;
    u64 runnable_load_sum;
    unsigned long runnable_load_avg;
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
    unsigned long tg_load_avg_contrib;
#endif
    atomic_long_t removed_load_avg, removed_util_avg;
#ifndef CONFIG_64BIT
    u64 load_last_update_time_copy;
#endif

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
    /*
     *   h_load = weight * f(tg)
     *
     * Where f(tg) is the recursive weight fraction assigned to
     * this group.
     */
    unsigned long h_load;
    u64 last_h_load_update;
    struct sched_entity *h_load_next;
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */
#endif /* CONFIG_SMP */

#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED
    /* 所属于的CPU rq */
    struct rq *rq;  /* cpu runqueue to which this cfs_rq is attached */

    /*
     * leaf cfs_rqs are those that hold tasks (lowest schedulable entity in
     * a hierarchy). Non-leaf lrqs hold other higher schedulable entities
     * (like users, containers etc.)
     *
     * leaf_cfs_rq_list ties together list of leaf cfs_rq's in a cpu. This
     * list is used during load balance.
     */
    int on_list;
    struct list_head leaf_cfs_rq_list;
    /* 拥有该CFS运行队列的进程组 */
    struct task_group *tg;  /* group that "owns" this runqueue */

#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH
    int runtime_enabled;
    u64 runtime_expires;
    s64 runtime_remaining;

    u64 throttled_clock, throttled_clock_task;
    u64 throttled_clock_task_time;
    int throttled, throttle_count;
    struct list_head throttled_list;
#endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */
};

成员	描述
nr_running	队列上可运行进程的数目
load	就绪队列上可运行进程的累计负荷权重
min_vruntime	跟踪记录队列上所有进程的最小虚拟运行时间. 这个值是实现与就绪队列相关的虚拟时钟的基础
tasks_timeline	用于在按时间排序的红黑树中管理所有进程
rb_leftmost	总是设置为指向红黑树最左边的节点, 即需要被调度的进程. 该值其实可以可以通过病例红黑树获得, 但是将这个值存储下来可以减少搜索红黑树花费的平均时间
curr	当前正在运行的sched_entity（对于组虽然它不会在cpu上运行，但是当它的下层有一个task在cpu上运行，那么它所在的cfs_rq就把它当做是该cfs_rq上当前正在运行的sched_entity
next	表示有些进程急需运行，即使不遵从CFS调度也必须运行它，调度时会检查是否next需要调度，有就调度next
skip	略过进程(不会选择skip指定的进程调度)