Linux源码阅读笔记03-调度器及CFS调度器

调度器

调度器：Linux内核中用来安排调度进程（一段程序的执行过程）执行的模块成为调度器，他可以切换进程状态。比如：执行、可中断睡眠、不可中断睡眠、退出、暂停等；
调度器的主要职责：选择某些就绪的进程来运行、打断某些执行的进程让他们变为就绪态；
调度目的：最大效率使用CPU资源

主动进入阻塞状态：
被动进去阻塞状态：

如果调度器支持就绪状态切换到执行状态，同时支持执行状态切换到就绪状态，则称为抢占式调度器。

调度类sched_class结构体

// 调度类的结构体
struct sched_class {const struct sched_class *next; // 系统中有多个调度类，按照优先级按照调度优先级直接排成链表#ifdef CONFIG_UCLAMP_TASKint uclamp_enabled;
#endif// 将进程加入到执行队列当中，即将调度实体（进程）存放到红黑树当中，并且nr_running变量自动+1void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);// 从执行队列当中删除进程，nr_running变量自动-1void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);// 放弃CPU的执行权限，实际上此函数执行先出队后入队，这种情况下直接将调度实体存放在红黑树的最右端void (*yield_task)   (struct rq *rq);bool (*yield_to_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, bool preempt);// 专门检查当前进程是否可以被新进程抢占void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);// 选择下一个要运行的进程struct task_struct *(*pick_next_task)(struct rq *rq);// 将进程加入到运行队列中void (*put_prev_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);void (*set_next_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, bool first);#ifdef CONFIG_SMPint (*balance)(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf);// 选择合适的CPU'int  (*select_task_rq)(struct task_struct *p, int task_cpu, int sd_flag, int flags);// 迁移任务到另外一个CPUvoid (*migrate_task_rq)(struct task_struct *p, int new_cpu);// 唤醒进程void (*task_woken)(struct rq *this_rq, struct task_struct *task);// 修改进程在CPU的亲和力void (*set_cpus_allowed)(struct task_struct *p,const struct cpumask *newmask);// 启动/禁止运行队列void (*rq_online)(struct rq *rq);void (*rq_offline)(struct rq *rq);
#endifvoid (*task_tick)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int queued);void (*task_fork)(struct task_struct *p);void (*task_dead)(struct task_struct *p);/** The switched_from() call is allowed to drop rq->lock, therefore we* cannot assume the switched_from/switched_to pair is serliazed by* rq->lock. They are however serialized by p->pi_lock.*/void (*switched_from)(struct rq *this_rq, struct task_struct *task);void (*switched_to)  (struct rq *this_rq, struct task_struct *task);void (*prio_changed) (struct rq *this_rq, struct task_struct *task,int oldprio);unsigned int (*get_rr_interval)(struct rq *rq,struct task_struct *task);void (*update_curr)(struct rq *rq);#define TASK_SET_GROUP		0
#define TASK_MOVE_GROUP		1#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHEDvoid (*task_change_group)(struct task_struct *p, int type);
#endif
};

调度器分类

extern const struct sched_class stop_sched_class; // 停机调度类
extern const struct sched_class dl_sched_class; // 期限调度类
extern const struct sched_class rt_sched_class; // 实时调度类
extern const struct sched_class fair_sched_class; // 公平调度类
extern const struct sched_class idle_sched_class; // 空闲调度类

优先级（高到低）：停机调度类-限期调度类-实时调度类-公平调度类-空闲调度类；
停机调度类：停止进程，优先级最高，可以抢占其他进程；停机进程是优先级最高的进程，可以抢占其他进程；
限期调度类：最早使用的优先算法，使用红黑树把进程按照绝对截止的期限从小到大排序，每次调度会选择截止期限最小的进程；
实时调度类：为每一个调度优先级维护一个队列；
公平调度类：使用完全公平调度算法。完全公平调度算法引入虚拟运行时间：虚拟运行时间=实际运行实现*nice0对应的权重/进程的权重；
空闲调度类：每个CPU上有一个空闲的线程，即0号线程。空闲调度类优先级最低，仅仅当没有其他进程可以调度的时候才会调度空闲线程。

进程优先级

// Linux 内核优先级
#define MAX_USER_RT_PRIO	100
#define MAX_RT_PRIO		MAX_USER_RT_PRIO#define MAX_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH)
#define DEFAULT_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)

实时进程（Real-Time-Process）：优先级高，需要立刻被执行的进程
普通进程（Normal-Process）：优先级低，更长执行时间的进程

进程优先级是一个0-139的整数来表示。数字越小，优先级越高，其中优先级0-99留给实时进程，100-139留给普通进程。

内核调度策略

Linux内核提供一些调度策略让用户应用程序选择调度器。Linux内核调度策略源码如下：

SCHED_NORMAL：普通进程调度策略，使得ask选择CFS调度器来调度运行；
SCHED_FIFO：实时进程调度策略，先进先出调度没有时间片，没有更高级优先级的状态下，只有等待主动让出CPU；
SCHED_RR：实时进程调度策略，时间片轮转，进程使用完时间片之后加入优先级对应运行队列中的尾部，把CPU让给同等优先级的其他进程；
SCHED_BATCH：普通进程调度策略，批量处理，使task选择CFS调度器来调度运行；
SCHED_IDLE：普通进程调度策略，使task以最低优先级选择CFS调度器来运行；
SCHED_DEADLINE：限期进程调度策略，使task选择Deadline调度器来运行。

备注：其中 Stop 调度器和 IDLE-task 调度器，仅使用于内核，用户没有办法进行选择。

CFS调度器

完全公平调度算法体现在对每个进程都是公平的，让每个进程都运行一段相同的的时间片，这就是基于时间片轮询调度算法。CFS定义一种新模型，给cfs_rq（CFS的run queue）中的每个进程都设置一个虚拟时钟virtual runtime。古国一个进程得以执行，随着时间的不断增长，他的vruntime也会不断增大，没有得到执行的进程vruntime保持不变。

进程描述符task_struct结构体中，有几个成员与调度相关，具体成员prio、normal_prio、static_prio、rt_priority等。

实际运行时间

CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器）。在实际当中必然会有进程优先级高或者进程优先级低，CFS引入权重代表进程的优先级，各个进程按照权重比例分配CPU时间。

假设有两个进程X和Y，X权重为1024，Y权重为2048。

X获得CPU的时间比为：
$\frac{1024}{1024+2048}=33\%$
Y获得CPU的时间比例为：
$\frac{2048}{1024+2048}=66\%$
在引入权重之后分配给进程的时间计算公式如下：
$实际运行时间=\frac{调度曲线*进程权重}{所有进程权重和}$

虚拟运行时间

$虚拟运行时间=\frac{实际运行时间*NICE\_0\_LOAD}{进程权重}=\frac{调度周期*进程权重}{所有进程权重}*\frac{NICE\_0\_LOAD}{进程权重}=\frac{调度周期*1024}{所有进程权重}$

在一个调度周期里，所有进程的虚拟运行时间是相同的，所以在进程调度时，只要找到虚拟运行时间最小的进程调度即可。

CFS调度器类

enqueue_task：当任务进入可运行状态时，此函数将调度实体存入红黑树，完成入队操作。
dequeue_task：当任务退出可运行状态时，此函数将调度实体从红黑树中移除，完成出队操作。

这两个函数接收三个参数运行队列任务实体标志，rq是一个抽象出来的运行队列结构体。这个结构体中的包含了完全公平调度器就绪队列实时调度器就绪队列限时调度器就绪队列

CFS调度器就绪队列内核源码

/* CFS-related fields in a runqueue */
struct cfs_rq {struct load_weight	load;unsigned long		runnable_weight;unsigned int		nr_running;unsigned int		h_nr_running;      /* SCHED_{NORMAL,BATCH,IDLE} */unsigned int		idle_h_nr_running; /* SCHED_IDLE */u64			exec_clock;u64			min_vruntime;
#ifndef CONFIG_64BITu64			min_vruntime_copy;
#endifstruct rb_root_cached	tasks_timeline;/** 'curr' points to currently running entity on this cfs_rq.* It is set to NULL otherwise (i.e when none are currently running).*/// 可被内核调度的实体struct sched_entity	*curr;struct sched_entity	*next;struct sched_entity	*last;struct sched_entity	*skip;#ifdef	CONFIG_SCHED_DEBUGunsigned int		nr_spread_over;
#endif#ifdef CONFIG_SMP/** CFS load tracking*/struct sched_avg	avg;
#ifndef CONFIG_64BITu64			load_last_update_time_copy;
#endifstruct {raw_spinlock_t	lock ____cacheline_aligned;int		nr;unsigned long	load_avg;unsigned long	util_avg;unsigned long	runnable_sum;} removed;#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHEDunsigned long		tg_load_avg_contrib;long			propagate;long			prop_runnable_sum;/**   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_SCHEDstruct 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;struct task_group	*tg;	/* group that "owns" this runqueue */#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTHint			runtime_enabled;s64			runtime_remaining;u64			throttled_clock;u64			throttled_clock_task;u64			throttled_clock_task_time;int			throttled;int			throttle_count;struct list_head	throttled_list;
#endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */
};

cfs_rq：跟踪就绪队列信息，管理就绪态调度实体，维护一棵按照虚拟时间排序的红黑树。tasks_timeline->rb_root指向红黑树的根，tasks_timeline->rb_leftmost指向红黑树最左边的调度实体，即虚拟时间最小的调度实体。
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