CFS算法详解

VHQL • 2024-10-04 00:16 • 编程

一、简介

CFS（Complete Fair Scheduler）算法是Linux操作系统调度器的一种。其特点是公平且高效，具有优秀的多任务处理能力和资源分配策略。

CFS算法将系统中的所有运行进程都看做是一棵红黑树，通过动态调整红黑树中每个进程的执行时间片，达到公平分配CPU资源的目的。

二、调度平等性

CFS算法的核心是实现调度的平等性，即每个进程能够公平地分享CPU时间片。为了实现这个目标，CFS使用了进程的带权值运行时间作为计算进程优先级的指标，这个带权值的进程运行时间被称为vruntime。

/*计算进程的vruntime值*/
static u64 __sched_vruntime(struct task_struct *p)
{
    return p->se.vruntime + cputime_to_ns(p->se.sum_exec_runtime);
}

/*在红黑树中查找vruntime最小的进程，并将其作为下一个运行的进程*/
static struct cfs_rq *cfs_rq_min_vruntime(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
    struct rb_node *left = rb_first_cached(&cfs_rq->tasks_timeline);
    struct task_struct *leftmost = rb_entry(left, struct task_struct, 
                                    se.rb_node);

    if (left == cfs_rq->tasks_timeline.rb_node)
        return NULL;

    while (1) {
        struct rb_node *node = leftmost->se.rb_node;
        struct rb_node *parent = rb_parent(node);

        if (parent && node == parent->rb_left) {
            leftmost = rb_entry(parent, struct task_struct,
                                se.rb_node);
        } else {
            return cfs_rq_of(leftmost);
        }
    }
}

/*计算进程的权值*/
static inline unsigned long __sched_period(unsigned long slice)
{
    return max_t(unsigned long, slice, sysctl_sched_min_granularity);
}

/*根据进程的vruntime分配时间片*/
static void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
    unsigned long delta_exec;
    struct task_struct *curr = cfs_rq->curr;
    s64 delta;

    delta_exec = curr->sched_info.run_delay + curr->se.sum_exec_runtime;
    delta = cfs_rq->cfs_period - delta_exec;

    if (unlikely(delta se.vruntime += __sched_period(delta_exec);
}

三、调度策略

CFS算法主要通过在红黑树中调整进程的优先级，按照优先级高低给不同进程分配时间片，从而达到整体上CPU资源分配的平等性。同时，CFS还会根据进程是否处于睡眠状态、是否属于实时进程等因素对不同进程的任务进行调度策略上的差异化应用。

CFS算法中比较重要的两个参数是cfs_period和cfs_quota，前者表示周期时间长度，即时间片分配的粒度；后者表示时间的总量，即总共需要分配多少时间片。通过这两个参数的调整，可以实现对进程资源分配的微观控制。

四、优点和局限

CFS算法的优点在于其调度平等，能够保证所有进程都能平等分享CPU资源；同时CFS算法具有高效性和灵活性，可以应对不同CPU资源分配需求的场景。而CFS算法的局限在于进程的权值计算可能存在过多的运算量和精度问题，同时对于某些实时进程而言，CFS算法的策略可能会有所不适应。

五、总结

总的来说，CFS算法是一种具有广泛适用性的调度算法。通过实时动态调整每个进程的时间片和优先级，可以达到系统资源分配的公平性和高效性。当然，CFS算法在某些特定场景下可能会存在某些局限性和改进空间，需要根据具体需求进行调整、优化。

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