Linux CFS (Completely Fair Scheduler) 实现解析

CFS (完全公平调度器) 是 Linux 内核默认的进程调度器，自2.6.23版本引入，取代了之前的O(1)调度器。以下是CFS的核心实现机制：

核心设计理念

1. 完全公平性：试图给所有可运行进程公平的CPU时间份额
2. 基于虚拟时间：使用虚拟运行时间(vruntime)而非实际时间作为调度依据
3. 红黑树结构：高效管理可运行进程

关键数据结构

struct sched_entity {
    struct load_weight    load;       // 进程权重
    struct rb_node        run_node;   // 红黑树节点
    u64                   vruntime;   // 虚拟运行时间
    // ...
};

struct cfs_rq {
    struct rb_root_cached tasks_timeline; // 红黑树根节点
    struct sched_entity   *curr;      // 当前运行进程
    u64                   min_vruntime; // 最小vruntime
    // ...
};

主要实现机制

1. 虚拟运行时间(vruntime)计算

vruntime是CFS调度的核心概念，计算公式为：

vruntime += delta_exec × (NICE_0_LOAD / weight)

其中： - delta_exec：实际执行时间 - weight：进程权重(由nice值决定) - NICE_0_LOAD：nice=0的默认权重

2. 红黑树管理可运行进程

• 所有可运行进程按vruntime排序存储在红黑树中
• 最左侧节点(最小vruntime)是下一个要调度的进程
• 插入/删除操作时间复杂度为O(log n)

3. 调度流程

1. 时钟中断处理：更新当前进程的vruntime
2. 检查抢占：如果当前进程vruntime不再是最小，设置抢占标志
3. 调度点触发：主动或被动调用schedule()
4. 选择下一个进程：从红黑树选取最左侧节点
5. 上下文切换：切换到新进程执行

4. 权重与优先级

• 每个进程有静态优先级(static priority, 即nice值)
• nice值映射到权重表(prio_to_weight[])
• nice值每变化1，CPU时间份额变化约10%

5. 时间片计算

CFS没有固定时间片概念，而是：

• 计算目标延迟(target latency)：保证所有可运行进程至少运行一次的时间
• 最小粒度(minimum granularity)：防止过多上下文切换

特殊处理机制

1. 新进程处理：初始vruntime设置为当前队列min_vruntime，避免老进程饥饿
2. 唤醒进程：适当补偿vruntime，防止频繁睡眠进程处于劣势
3. 多处理器负载均衡：定期在各CPU间迁移任务保持平衡
4. 组调度：支持控制组(CGroups)的CPU资源分配

性能优化

1. 快速路径调度：当没有更高优先级进程时快速返回当前进程
2. 缓存热点：维护最左侧节点的缓存指针
3. 延迟计算：部分统计信息延迟更新减少开销

CFS通过这种设计实现了良好的公平性、可扩展性和交互性能，能够适应从嵌入式系统到大型服务器的各种场景。