CFS算法詳解

一、簡介

CFS（Complete Fair Scheduler）算法是Linux操作系統調度器的一種。其特點是公平且高效，具有優秀的多任務處理能力和資源分配策略。

CFS算法將系統中的所有運行進程都看做是一棵紅黑樹，通過動態調整紅黑樹中每個進程的執行時間片，達到公平分配CPU資源的目的。

二、調度平等性

CFS算法的核心是實現調度的平等性，即每個進程能夠公平地分享CPU時間片。為了實現這個目標，CFS使用了進程的帶權值運行時間作為計算進程優先級的指標，這個帶權值的進程運行時間被稱為vruntime。

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

/*在紅黑樹中查找vruntime最小的進程，並將其作為下一個運行的進程*/
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);
        }
    }
}

/*計算進程的權值*/
static inline unsigned long __sched_period(unsigned long slice)
{
    return max_t(unsigned long, slice, sysctl_sched_min_granularity);
}

/*根據進程的vruntime分配時間片*/
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、調度策略

CFS算法主要通過在紅黑樹中調整進程的優先級，按照優先級高低給不同進程分配時間片，從而達到整體上CPU資源分配的平等性。同時，CFS還會根據進程是否處於睡眠狀態、是否屬於實時進程等因素對不同進程的任務進行調度策略上的差異化應用。

CFS算法中比較重要的兩個參數是cfs_period和cfs_quota，前者表示周期時間長度，即時間片分配的粒度；後者表示時間的總量，即總共需要分配多少時間片。通過這兩個參數的調整，可以實現對進程資源分配的微觀控制。

四、優點和局限

CFS算法的優點在於其調度平等，能夠保證所有進程都能平等分享CPU資源；同時CFS算法具有高效性和靈活性，可以應對不同CPU資源分配需求的場景。而CFS算法的局限在於進程的權值計算可能存在過多的運算量和精度問題，同時對於某些實時進程而言，CFS算法的策略可能會有所不適應。

五、總結

總的來說，CFS算法是一種具有廣泛適用性的調度算法。通過實時動態調整每個進程的時間片和優先級，可以達到系統資源分配的公平性和高效性。當然，CFS算法在某些特定場景下可能會存在某些局限性和改進空間，需要根據具體需求進行調整、優化。