Linux CFS调度详解
Linux内核中的完全公平调度器（Completely Fair Scheduler，CFS）是一种先进的进程调度算法，旨在确保所有进程能够公平地获得CPU时间，通过红黑树数据结构管理进程，CFS实现了O(log N)的调度复杂度，同时支持精确调度、优先级和实时调度类，本文将深入探讨CFS的工作原理、数据结构及其在Linux系统中的应用。
一、CFS的核心特性
1. 公平性
CFS的核心理念在于公平分配CPU时间，为实现这一点，每个进程都被赋予了一个虚拟运行时间（vruntime），该值随着进程的运行而增加，但增加速度受进程优先级的影响，优先级高的进程vruntime增长速度较慢，从而获得更多的CPU时间，这种机制确保了低优先级进程不会长期得不到运行机会。
2. O(log N)复杂度
通过使用红黑树管理进程，CFS保证了调度操作的时间复杂度为O(log N)，其中N是系统中可调度的进程数量，这使得CFS能够在大量进程的环境下高效运作，适合现代计算机系统的复杂需求。
3. 精确调度
CFS采用微观调度周期，即调度点或时钟中断，来精细控制每个进程的CPU使用时间，每个调度周期内，进程可以运行一段时间，称为时间片，这种细粒度的调度策略确保了进程间的快速切换，提高了系统的响应速度。
4. 优先级支持
除了传统的静态优先级（nice值），CFS还支持实时优先级，实时进程拥有更高的调度优先级，能够更频繁地获得CPU时间，这种设计使得CFS能够满足不同类型应用的需求，包括交互式应用和后台服务。
二、CFS的工作原理
1. 虚拟运行时间（vruntime）
CFS为每个进程分配一个虚拟运行时间vruntime，用于记录进程使用CPU的时间，虚拟运行时间是调度决策的关键指标，具有较少虚拟运行时间的进程将优先获得CPU时间，通过这种方式，CFS确保所有进程能够公平地分享CPU资源。
2. 红黑树调度
所有可调度的进程按虚拟运行时间存储在红黑树中，树的根节点是虚拟运行时间最小的进程，当CFS需要调度一个新的进程时，它从红黑树的最左节点选择下一个进程，红黑树的自平衡特性确保了调度操作的高效性，即使在进程数量众多的情况下也能快速找到下一个要执行的进程。
3. 调度决策
CFS定期检查当前正在运行的进程和红黑树中下一个进程的虚拟运行时间，如果发现红黑树中有虚拟运行时间更少的进程，则进行上下文切换，将CPU分配给该进程，这种机制确保了所有进程都能按照其优先级和需要公平地获得CPU时间。
4. 时间片计算
CFS动态计算每个进程的时间片，根据系统负载和进程优先级进行调整，时间片越长，进程能在一次调度中运行的时间越长，这种自适应的时间片分配策略使得CFS能够在不同类型的工作负载下保持高效。
三、CFS的数据结构
1. 调度类
Linux内核抽象了一个调度类struct sched_class，这是一种典型的面向对象设计思想，将共性的特征抽象出来封装成类，在实例化各个调度器的时候，可以根据具体的调度算法来实现，这种方式做到了高内聚低耦合，同时又很容易扩展新的调度器，在调度核心代码kernel/sched/core.c中，使用的方式是task->sched_class->xxx_func，其中task表示的是描述任务的结构体struct task_struct，在该结构体中包含了任务所使用的调度器，进而能找到对应的函数指针来完成调用执行，有点类似于C++中的多态机制。
2. rq/cfs_rq/task_struct/task_group/sched_entity
struct rq：每个CPU都有一个对应的运行队列；
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，在task_group结构中也会为每个CPU再维护一个CFS运行队列；
struct task_struct：任务的描述符，包含了进程的所有信息，该结构中的struct sched_entity，用于参与CFS的调度；
struct task_group：组调度（参考下文），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；
struct sched_entity：调度实体，这个也是CFS调度管理的对象了；
四、使用和配置
CFS自动管理大多数调度任务，无需用户干预，但用户可以通过调整一些调度相关的内核参数（如sched_latency_ns, sched_min_granularity_ns）来影响调度行为，这些参数控制调度周期的长度和最小时间片的大小，减小sched_latency_ns的值可以减少调度延迟，但会增加调度开销；增加sched_min_granularity_ns的值可以提高调度精度，但也会增加上下文切换的频率。
五、优势和应用场景
1. 多任务处理
CFS适用于需要公平分配CPU资源的多任务环境，无论是桌面系统还是服务器环境，CFS都能够有效地管理和调度多个进程，确保每个进程都能获得合理的CPU时间片。
2. 桌面和服务器应用
因其公平性和低复杂度，CFS在桌面系统和服务器中广泛应用，适合多种工作负载，包括交互式应用和后台服务，无论是日常办公软件还是大型数据库管理系统，CFS都能提供稳定的性能表现。
3. 实时应用的支持
虽然CFS主要设计用于普通进程调度，它也支持实时调度类（如SCHED_FIFO和SCHED_RR），这些类有更高的优先级，但需要更细粒度的控制，对于需要严格实时响应的应用，如工业控制系统或多媒体处理软件，CFS同样能够提供良好的支持。
六、相关FAQs
Q1: CFS如何保证所有进程的公平性？
A1: CFS通过虚拟运行时间（vruntime）来跟踪每个进程使用CPU的时间，具有较少虚拟运行时间的进程将优先获得CPU时间，CFS使用红黑树数据结构管理进程，确保每次调度操作的复杂度为O(log N)，从而实现高效的进程调度，优先级较高的进程vruntime增长较慢，因此它们能够获得更多的CPU时间，但这不会影响到低优先级进程的长期饥饿问题。
Q2: 如何调整CFS的行为以优化系统性能？
A2: 用户可以通过调整一些调度相关的内核参数来影响CFS的行为，sched_latency_ns参数控制调度周期的长度，减小该值可以减少调度延迟但会增加调度开销；sched_min_granularity_ns参数控制最小时间片的大小，增加该值可以提高调度精度但会增加上下文切换的频率，根据具体应用场景调整这些参数可以帮助优化系统性能。
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