深入剖析Linux完全公平调度算法 (linux完全公平调度算法)

Linux完全公平调度算法（CFS）是一个广泛使用的进程调度器，它为在Linux系统上运行的多个进程提供公平而高效的CPU分配。CFS使用红黑树数据结构来平衡系统上运行的任务数量，并以纳秒级别的精度将每个进程的CPU时间片分配给它们。本文将，介绍其原理和实现，以及与传统调度算法的区别和优势。

一、Linux进程调度算法概述

在以前版本的Linux内核中，用于进程调度的主要算法是时间片轮转（RR）。RR调度器分配相同长度的时间片给每个进程，使每个进程有机会在CPU上运行一段时间，然后被挂起并让下一个进程运行。这种调度算法简单高效，但可能导致进程在短时间内频繁切换，消耗CPU时间。

为了解决这个问题，Linux 2.6版本引入了CFS调度器。CFS将CPU时间片定义为进程运行所需的时间，因此每个任务都可以独立地控制其CPU时间的使用。CFS对进程进行排序，并根据处理器运行量的权重和任务已使用的CPU时间量来为每个进程分配时间片。这使得系统可以更好地利用CPU，同时确保所有进程都能公平地共享CPU时间。

二、CFS算法的原理

CFS将系统中运行的进程组织成红黑树，每个进程称为红黑树的节点。进程的优先级基于其最近使用的CPU时间量决定，因为CFS基于一个被称为进程虚拟运行时间(vruntime)的指标来进行任务调度。在CFS中，每个任务的时间片是其vruntime的函数。

CFS轮询整个红黑树以找到更具有优先级的进程，并为其分配时间片。这样，较高优先级的进程（即那些正在等待CPU的时间较长）将获得更多的CPU时间，而低优先级的进程将获得较少的时间。在一个基于权重的CFS系统中，每个进程被分配一个权重，影响其在CPU时间分配方面所占的份额。

Linux核心使用了CPU时间片和vruntime的概念来管理CFS。当一个进程创建时，它的vruntime值被初始化为0，每当一个时间片被授予给它时，它的vruntime值增加相应的数量。当CFS调度器的时间片结束后，vruntime值最小的节点被选择继续运行。

三、CFS算法的特点

1. 公平性：CFS是一种公平的调度算法。它通过使用较长的时间片来允许进程运行，并根据红黑树的平衡来平衡系统中运行的任务数量，从而确保所有进程都有机会公平地共享CPU时间。

2. 响应性：CFS在运行较短期的任务上非常灵敏，这对于对实时应用程序的需求尤其重要。在CFS中，进程可以立即开始运行，并在到达就绪队列时立即运行，而不必等待其他任务结束。

3. 可扩展性：CFS的设计允许在比基于中断的系统更高的负载下适应大量的任务。CFS在显示器缩放或CPU Clock的速率变更时，可以完成所有调度工作。

4. 永远不会阻塞：CFS调度器永远不会阻塞，这使得它较难遭受攻击，并且比较传统的基于锁的调度算法更安全。它通过红黑树数据结构安排进程，并及时响应各种事件来避免死锁情况。据称，当有许多不同的线程时，线程的阻塞和唤醒难度会增加，而CFS可以在这种情况下更好地工作。

四、实现CFS算法

CFS包含两个部分：Load Balance和Task Selection。在Load Balance阶段，CFS通过检查负荷情况来决定哪些CPU将在下一个阶段参与任务选取。Load Balance操作可以防止运行时间太长的CPU避免使用CPU以维护负载平衡。

在Task Selection阶段，CFS从当前可用的任务中选择一个任务运行。这个阶段包括两个重要函数find_best_task和pick_next_task_fr。更好的任务函数从任务列表中选择最适合运行的任务，并在任务可用时返回该任务。pick_next_task_fr函数根据进程的vruntime选择下一个运行进程。此函数调用update_curr函数以更新任务的vruntime。

CFS使用负载均衡器和以权重和可运行中最长时间决定的调度器，以确保在整个系统范围内公平地分配CPU时间。CFS对非实时事件非常敏感，因此会在进程就绪后尽可能地将其分配给可用CPU。

五、与其他调度算法的比较

相比传统的时间片轮转算法，CFS自适应性更强。CFS的工作非常依赖于运行中任务的实时性要求。它可以平衡系统中运行的任务数量并在资源紧缺或CPU计算能力本身发生变化时动态重新规划CPU时间分配。

CFS还比传统的基于锁的调度算法更安全，并且可以避免死锁。

六、CFS的优点

CFS不仅优于其他调度器，而且在某些情况下是史无前例的。这个调度器更大的优点是，它可以更好地共享CPU，并可以在处理器数量和大小方面进行伸缩。此外，由于它为进程提供了非常详细的CPU时间控制，并且不易受到锁的要求，因此它可以实现更平滑的结果。在支持Cgroups的操作系统中，CFS可以为特定任务组的进程动态分配CPU时间，在这方面是其他算法不能比拟的。

七、

本文分析了Linux完全公平调度算法的原理和实现，以及它相比于传统调度算法的区别和优势。CFS是一种高度灵活、可扩展并且公平的调度器，它可以通过根据任务优先级分配CPU时间，避免任务短时间内频繁切换。此外，它还具有高度的响应性，可以在到达就绪队列时迅速运行，并且难以受到阻塞。尽管CFS可能不适用于所有应用程序类型，但对于需要性能和灵活性的大多数应用程序而言，该算法仍然是一个可靠的选择。