Linux 内核之旅（六）：进程调度（CFS）

0x00 前言

本文学习下CFS调度算法（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器）用于Linux系统中普通进程的调度，CFS调度器的目标是让所有普通进程的vruntime尽可能接近，实现公平的调度。CFS的设计理念是在真实硬件上实现理想的、精确的多任务CPU。CFS调度器和先前内核版本调度器不同之处在于没有时间片的概念，而是分配cpu使用时间的比例，若2个相同优先级的进程在一个CPU上运行，那么每个进程都将会分配50%的CPU运行时间

调度实体：对应结构sched_entity
红黑树：CFS采用了红黑树算法来管理所有的调度实体，算法效率O(log(n))
vruntime：CFS跟踪调度实体sched_entity的虚拟运行时间vruntime，平等对待运行队列中的调度实体sched_entity，将执行时间少的调度实体sched_entity排列到红黑树的左边
核心调度器：内核中进程调度模块，对外提供了周期性调度（定时触发）以及主调度器两个实现
就绪队列：所有当前运行的进程都在这个队列中维护，需要选择出下一个执行的进程也从此队列中选举
调度优先级：给予不同的进程不同的优先级，这样分配到的时间就不一样
调度算法：给与不同类型的进程使用不同的调度算法来选择执行进程

essence

0x01 CFS数据结构及关系

task_struct：每一个调度类并不是直接管理task_struct，而是关联调度实体
sched_entity：调度实体
cfs_rq：每个CPU独立维护的就绪队列

根据上文的介绍，了解到CFS调度器使用sched_entity跟踪调度信息。CFS调度器使用cfs_rq跟踪就绪队列信息以及管理就绪态调度实体，并维护一棵按照虚拟时间排序的红黑树，tasks_timeline->rb_root是红黑树的根节点，tasks_timeline->rb_leftmost指向红黑树中最左边的调度实体节点（虚拟时间最小的调度实体），为了更快的选择最适合运行的调度实体，rb_leftmost相当于一个缓存。每个就绪态的调度实体sched_entity包含插入红黑树中使用的节点rb_node，同时vruntime成员记录已经运行的task_struct虚拟时间。CFS算法会选择红黑树最左边的进程运行，随着系统时间的推移，原来左边运行过的进程慢慢的会移动到红黑树的右边，原来右边的进程也会最终跑到最左边。它们之间的关系如下图：

cfs_relation

sched_class：调度器类

sched_class是用于表示所有调度器算法的结构体封装

struct sched_class {
	const struct sched_class *next;

	void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
	void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
	void (*yield_task) (struct rq *rq);
	bool (*yield_to_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, bool preempt);

	void (*check_preempt_curr) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);

	struct task_struct * (*pick_next_task) (struct rq *rq,
						struct task_struct *prev,
						struct rq_flags *rf);
	void (*put_prev_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p);

	void (*set_curr_task) (struct rq *rq);
	void (*task_tick) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int queued);
};

task_struct调度相关

// include/linux/sched.h
struct task_struct {
	// ...
	int				prio;
	int				static_prio;
	int				normal_prio;

	const struct sched_class	*sched_class;
	struct sched_entity		se;

	unsigned int			policy;
	int				nr_cpus_allowed;
	cpumask_t			cpus_allowed;  
}

CPU就绪队列 AND CFS 就绪队列

就绪队列用于维护所有当前可运行的进程，每个CPU上都有一个就绪队列

// kernel/sched/sched.h
struct rq {
	unsigned int nr_running;

	#define CPU_LOAD_IDX_MAX 5
	unsigned long cpu_load[CPU_LOAD_IDX_MAX];

	struct load_weight load;

	struct cfs_rq cfs;

	struct task_struct *curr, *idle, *stop;
	u64 clock;
};

cfs_rq用来维护CFS调度器的就绪进程队列（红黑树）：

struct cfs_rq {
	//就绪队列上所有进程的累积负载值
	struct load_weight load;
	
	//就绪队列上的进程数量
	unsigned int nr_running;

	//记录就绪队列上进程的最小虚拟运行时间。这个值是计算就绪队列虚拟运行时间的基础，大部分情况下是CFS红黑树最小子节点（最左节点）的虚拟运行时间，但实际情况下可能有时候会比最小子节点的虚拟运行时间稍大一些
	u64 min_vruntime;

	struct rb_root_cached tasks_timeline;
};

调度实体

sched_entity描述进程调度的实体信息：

// kernel/linux/sched.h
struct sched_entity {
	// 权重信息，在计算虚拟时间的时候会用到inv_weight成员
	struct load_weight		load;
	unsigned long			runnable_weight;
	// CFS调度器使用红黑树维护调度的进程信息
	struct rb_node			run_node;
	// 进入就绪队列是为1
	unsigned int			on_rq;

	u64				exec_start;
	// 调度实体已经运行实际时间总合
	u64				sum_exec_runtime;
	// 调度实体已经运行的虚拟时间总合
	u64				vruntime;
	u64				prev_sum_exec_runtime;
};

0x02 CFS相关的一些概念

调度周期：sysctl_sched_latency

调度周期表示所有可运行任务（runnable tasks）在一个调度周期内至少被运行一次的时间窗口，调度器会尝试在这个时间窗口内，让所有就绪状态的进程（线程）至少获得一次 CPU 时间片。调度周期默认为 6ms，但会根据 CPU 数量动态调整，参考公式为sched_latency_ns = 6ms * (1 + log2(nr_cpus))

# 实际结果与公式可能有出入
[root@VM-x-x-centos ~]# sysctl -a|grep sched|grep sched_latency_ns
kernel.sched_latency_ns = 18000000

调度延迟：sched_period

调度延迟是保证每一个可运行进程都至少运行（完成）一次的时间间隔。例如每个进程都运行10ms，系统中总共有2个进程，那么调度延迟就是20ms。如果现在保证调度延迟不变，固定是6ms，如果有100个进程，那么每个进程分配到的时间就是0.06ms。随着进程的增加，每个进程分配的时间在减少，进程调度过于频繁，上下文切换时间开销就会变大。因此，CFS调度器的调度延迟时间的设定并不是固定的。当系统处于就绪态的进程少于一个定值（默认值8）的时候，调度延迟也是固定一个值不变（默认值6ms）。当系统就绪态进程个数超过这个值时，需要保证每个进程至少运行一定的时间才让出CPU，至少一定的时间被称为最小粒度时间（在CFS默认设置中，最小粒度时间是0.75ms，关联变量sysctl_sched_min_granularity）

//调度周期是一个动态变化的值，使用__sched_period计算调度周期
//nr_running是系统中就绪进程数量，当超过sched_nr_latency时，无法保证调度延迟，因此转为保证调度最小粒度。如果nr_running并没有超过sched_nr_latency，那么调度周期就等于调度延迟sysctl_sched_latency（6ms）
static u64 __sched_period(unsigned long nr_running)
{
	if (unlikely(nr_running > sched_nr_latency))
		return nr_running * sysctl_sched_min_granularity;
	else
		return sysctl_sched_latency;
}

nice：普通进程的优先级

现实情况下，CFS调度器针对普通进程的优先级是通过权重实现的，权重代表着进程的优先级，即各个进程之间按照权重的比例分配CPU时间，权重越大分配的时间比例越大，相当于优先级越高。在引入权重之后，分配给进程的时间计算公式如下：

分配给进程的时间 = 总的cpu时间 * 进程的权重/就绪队列（runqueue）所有进程权重之和

此外，CFS调度器中设计了nice值，与权重一一对应。nice取值范围是[-20, 19]（数值越小代表优先级越大，同时也意味着权重值越大），转换方式如下：

//数组的值可以看作是公式：weight = 1024 / 1.25nice计算得到。公式中的1.25取值依据是：进程每降低一个nice值，将多获得10% cpu的时间。公式中以1024权重为基准值计算得来，1024权重对应nice值为0，其权重被称为NICE_0_LOAD。默认情况下，大部分进程的权重基本都是NICE_0_LOAD
const int sched_prio_to_weight[40] = {
 /* -20 */     88761,     71755,     56483,     46273,     36291,
 /* -15 */     29154,     23254,     18705,     14949,     11916,
 /* -10 */      9548,      7620,      6100,      4904,      3906,
 /*  -5 */      3121,      2501,      1991,      1586,      1277,
 /*   0 */      1024,       820,       655,       526,       423,
 /*   5 */       335,       272,       215,       172,       137,
 /*  10 */       110,        87,        70,        56,        45,
 /*  15 */        36,        29,        23,        18,        15,
};

普通进程的nice值在[-20,19]之间，而内核本身选择范围[0,139]在内部表示优先级，数值越低优先级越高

nice

虚拟运行时间vruntime VS runtime

vruntime

1、虚拟运行时间vruntime

例如调度周期是6ms，系统一共2个相同优先级的进程A和B，那么每个进程都将在6ms周期时间内内各运行3ms。如果进程A和B，他们的权重分别是1024和820（对应nice值分别是0和1）。根据权重进程A获得的运行时间是6x1024/(1024+820)=3.3ms，进程B获得的执行时间是6x820/(1024+820)=2.7ms。进程A的CPU使用比例是3.3/6x100%=55%，进程B的CPU使用比例是2.7/6x100%=45%

上述计算结果符合进程每降低一个nice值，将多获得10% CPU的时间，很明显这两个进程的实际执行时间是不相等的，但是CFS想保证每个进程运行时间相等。因此CFS引入了vruntime的概念，也就是说上面的2.7ms和3.3ms经过一个公式的转换可以得到一样的值，这个转换后的值称作虚拟运行时间。这样CFS只需要保证每个进程运行的虚拟运行时间是相等的即可。对高优先级进程1 物理秒换算为 0.5 虚拟秒（vruntime 增长慢），而低优先级进程1 物理秒换算为 2 虚拟秒（vruntime 增长快）

虚拟运行时间和实际时间（wall time）转换公式如下：

#注意：`nice`值为`0`的进程的虚拟时间和实际时间相同
                                 NICE_0_LOAD
vriture_runtime = wall_time * ----------------
                                    weight

进程A的虚拟时间3.3 * 1024 / 1024 = 3.3ms，可以看出nice值为0的进程的虚拟时间和实际时间是相等的。进程B的虚拟时间是2.7 * 1024 / 820 = 3.3ms。可以看出尽管A和B进程的权重值不一样，但是计算得到的虚拟时间是一样的。因此CFS主要保证每一个进程获得执行的虚拟时间一致即可。在选择下一个即将运行的进程的时候，只需要找到虚拟时间最小的进程即可。内核对公式做了如下转换：

                                 NICE_0_LOAD
vriture_runtime = wall_time * ----------------
                                    weight
  
                                   NICE_0_LOAD * 2^32
                = (wall_time * -------------------------) >> 32
                                        weight
                                                                                        2^32
                = (wall_time * NICE_0_LOAD * inv_weight) >> 32        (inv_weight = ------------ )
                                                                                        weight

2、weight && inv_weight

其中，inv_weight的值可根据weight计算（而权重weight的值已经计算保存到sched_prio_to_weight数组中，计算公式sched_prio_to_wmult[i] = 232/sched_prio_to_weight[i]），在使用时只需要查表sched_prio_to_wmult就可以的到inv_weigth的值

                  2^32
(inv_weight = ------------ )
                  weight

/*
 * Inverse (2^32/x) values of the sched_prio_to_weight[] array, precalculated.
 *
 * In cases where the weight does not change often, we can use the
 * precalculated inverse to speed up arithmetics by turning divisions
 * into multiplications:
 */
const u32 sched_prio_to_wmult[40] = {
 /* -20 */     48388,     59856,     76040,     92818,    118348,
 /* -15 */    147320,    184698,    229616,    287308,    360437,
 /* -10 */    449829,    563644,    704093,    875809,   1099582,
 /*  -5 */   1376151,   1717300,   2157191,   2708050,   3363326,
 /*   0 */   4194304,   5237765,   6557202,   8165337,  10153587,
 /*   5 */  12820798,  15790321,  19976592,  24970740,  31350126,
 /*  10 */  39045157,  49367440,  61356676,  76695844,  95443717,
 /*  15 */ 119304647, 148102320, 186737708, 238609294, 286331153,
};

内核中使用struct load_weight结构描述进程的权重信息（包含在调度实体sched_entity中）

struct load_weight {
	unsigned long		weight;		//进程的权重
	u32			inv_weight;			//inv_weight等于232/weight
};

3、转换：runtime–>vruntime：calc_delta_fair函数实现此转换，核心是调用__calc_delta函数

//将实际时间转换成虚拟时间
//calc_delta_fair()函数调用__calc_delta()的时候传递的weight参数是NICE_0_LOAD，lw参数是进程对应的struct load_weight结构体
static inline u64 calc_delta_fair(u64 delta, struct sched_entity *se)
{
	/*
	nice值为0（权重是NICE_0_LOAD）的进程的虚拟时间和实际时间是相等的。因此如果进程的权重是NICE_0_LOAD，进程对应的虚拟时间就不用计算
	*/
	if (unlikely(se->load.weight != NICE_0_LOAD))
		delta = __calc_delta(delta, NICE_0_LOAD, &se->load);	//

	return delta;
}

static u64 __calc_delta(u64 delta_exec, unsigned long weight, struct load_weight *lw)
{
	u64 fact = scale_load_down(weight);
	int shift = 32;
 
	__update_inv_weight(lw);
 
	if (unlikely(fact >> 32)) {
		while (fact >> 32) {
			fact >>= 1;
			shift--;
		}
	}
 
	fact = (u64)(u32)fact * lw->inv_weight;
 
	while (fact >> 32) {
		fact >>= 1;
		shift--;
	}
 
	return mul_u64_u32_shr(delta_exec, fact, shift);
}

__calc_delta函数的抽象公式如下：

__calc_delta() = (delta_exec * weight * lw->inv_weight) >> 32
 
                                  weight                                 2^32
               = delta_exec * ----------------    (lw->inv_weight = --------------- )
                                lw->weight                             lw->weight

4、调度实体中的时间相关字段

由于struct sched_entity结构体描述调度实体，包括struct load_weight用来记录权重信息，核心字段如下：

struct sched_entity {
	struct load_weight		load;	//load：权重信息，在计算虚拟时间的时候会用到inv_weight成员
	struct rb_node		run_node;	//run_node：CFS调度器的每个就绪队列维护了一颗红黑树，上面挂满了就绪等待执行的task，run_node就是挂载点
	unsigned int		on_rq;		//on_rq：调度实体se加入就绪队列后，on_rq置1。从就绪队列删除后，on_rq置0
	u64			sum_exec_runtime;	//sum_exec_runtime：调度实体已经运行实际时间总和
	u64			vruntime;			//vruntime：调度实体已经运行的虚拟时间总和
};

5、CFS 的公平性本质：加权公平

从上面的描述了解到，CFS 的公平性目标是让所有进程的 vruntime 趋近一致，但这并非要求所有进程的实际运行时间（runtime）相同，优先级（权重）决定了进程的权重比例，本质是高优先级进程的 vruntime 增长更慢，从而在相同时间内积累更多实际运行时间，所以这一机制实现了权重越高，实际运行时间越长的公平性，而非绝对平等

如下例子，假设进程 A（权重 2048，优先级高）和进程 B（权重 1024，优先级低）同时运行，若两者均运行 1ms：

进程A 的 vruntime 增量：1ms * (1024/2048) = 0.5ms
进程B 的 vruntime 增量：1ms * (1024/1024) = 1ms

所以为了让进程A 和进程B 的 vruntime 趋近一致，A 需要运行 2ms，B 运行 1ms，如此结果为进程A 的实际运行时间是进程B 的 2 倍，但两者的 vruntime 增量相同，符合公平性

进程A 的 vruntime 增量：2ms * (1024/2048) = 1ms
进程B 的 vruntime 增量：1ms * (1024/1024) = 1ms

6、runtime与vruntime的关系

这里介绍下实际运行时间的动态分配机制，由于CFS 不依赖固定时间片，而是根据进程权重和可运行进程数态分配时间片：

调度周期（sched_period）：所有可运行进程至少运行一次的周期，默认约 6ms ~ 48ms（取决于进程数），而进程时间片的计算公式为时间片 = (调度周期 * 进程权重) / 总权重，即权重越高的进程，时间片越长；总权重是所有可运行进程权重之和
调度决策：CFS 维护红黑树，按 vruntime 排序，优先调度 vruntime 最小的进程；而高优先级进程因 vruntime 增长更慢，会被更频繁调度，从而获得更多实际运行时间
长期收敛性：在多个调度周期后，高优先级进程的 vruntime 增速慢，实际运行时间积累更快；而低优先级进程的 vruntime 增速快，实际运行时间积累更慢

这样CFS算法的最终调度效果就是：所有进程的 vruntime 趋近一致，但实际运行时间按权重比例分配

7、vruntime小结

vruntime 本质上是一个累加值，但其累加规则并非简单的物理时间叠加，而是基于进程的权重（优先级）动态调整

min_vruntime：CFS就绪队列的最小虚拟运行时间（实时）

CFS代码中出现的min_vruntime（注意到其是归属于cfs_rq结构），其作用是作为vruntime 的标尺，用来动态记录每个CPU CFS就绪队列上 vruntime 的最小值（min_vruntime是属于CFS运行就绪队列的唯一成员），这个值是计算就绪队列虚拟运行时间的基础，大部分情况下是CFS红黑树最小子节点（最左节点）的虚拟运行时间，但实际情况下可能有时候会比最小子节点的虚拟运行时间稍大一些

/* kernel/sched/sched.h */

struct cfs_rq {
    u64         min_vruntime;
    /* ... */
};

min_vruntime主要应用于如下场景：

1、新进程创建，如何设置其vruntime？

一个进程在刚刚加入到CFS就绪队列的红黑树中时，需要有一个基准值，即这个新加入的进程，应该和什么虚拟运行时间进行对比，找到它在红黑树中的合适位置（不能设置为一个较小的值会破坏CFS的公平性），该值即为min_vruntime。为什么min_vruntime不能直接取最左子节点对应进程的虚拟运行时间？因为系统在运行，对应的里面的每个进程其虚拟运行时间也是一直在增加，因此每个就绪队列的最小虚拟运行时间也一直是增加的才对。正因为这样，这个值不能取最左子节点进程的虚拟运行时间，而是根据系统的情况一直累加，不能发生回退。既然虚拟运行时间是一直累加的，那么在进程一直运行的情况下，就可能发生数据溢出现象，因此在对比两个虚拟运行时间大小的时候，不是直接比较而是判断的两者的差值（见后文分析）

2、min_vruntime的更新逻辑（见后文分析）

3、基于min_vruntime的校准更新逻辑，主要场景如下

task_fork_fair：进程创建时，在以就绪队列的最小虚拟运行时间为基准设置其最初的虚拟运行时间时，还需要再减去队列的最小虚拟运行时间
enqueue_entity：进程加入一个CFS就绪队列时，虚拟运行时间要加上该CPU就绪队列的最小虚拟运行时间
dequeue_entity：进程离开一个CFS就绪队列时，虚拟运行时间要减去该CPU就绪队列的最小虚拟运行时间

这个机制比较合理，因为可能在调度的过程中会发生CPU切换。如进程在刚创建的时候，其vruntime是根据当时所在的CPU就绪队列的min_vruntime为基础计算的，而进程真正开始被调度执行的时候，其所在的CPU可能不是最开始创建时所在的CPU了，中间发生了进程在不同CPU之间的迁移（不同的CPU之间，其虚拟运行时间也不尽相同，所以需要处理）

0x03 代码中若干重要函数

`calc_delta_fair`

calc_delta_fair，用来计算进程的vruntime的函数（见上文）

`sched_slice`

sched_slice函数是用来计算一个调度周期内，一个调度实体可以分配多少运行时间

static u64 sched_slice(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	//__sched_period函数是计算调度周期的函数，此函数当进程个数小于8时，调度周期等于调度延迟等于6ms。否则调度周期等于进程的个数乘以0.75ms，表示一个进程最少可以运行0.75ms，防止进程过快发生上下文切换
	u64 slice = __sched_period(cfs_rq->nr_running + !se->on_rq);

	//遍历当前的调度实体，如果调度实体没有调度组的关系，则只运行一次
	//获取当前CFS运行队列cfs_rq，获取运行队列的权重cfs_rq->rq代表的是这个运行队列的权重。最后通过__calc_delta计算出此进程的实际运行时间
	for_each_sched_entity(se) {
		struct load_weight *load;
		struct load_weight lw;

		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		load = &cfs_rq->load;

		if (unlikely(!se->on_rq)) {
			lw = cfs_rq->load;

			update_load_add(&lw, se->load.weight);
			load = &lw;
		}

		//__calc_delta函数：不仅仅可以计算一个进程的虚拟时间，它在这里是计算一个进程在总的调度周期中可以获取的运行时间，公式为：进程的运行时间 = （调度周期时间 * 进程的weight） / CFS运行队列的总weigth
		slice = __calc_delta(slice, se->load.weight, load);
	}
	return slice;
}

`place_entity`

place_entity函数用来惩罚一个调度实体，本质是修改其vruntime的值。根据传入参数initial分为两种情况

initial==0/*false*/：如果inital为false，则代表的是唤醒的进程，对于唤醒的进程则需要照顾，最大的照顾是调度延时的一半，确保调度实体的vruntime不得倒退
initial==1/*true*/：当参数initial为true时，代表是新创建的进程，新创建的进程则给它的vruntime增加值，代表惩罚它。因为新创建进程的vruntime过小，防止其一直占在CPU

static void
place_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int initial)
{
	//获取当前CFS运行队列的min_vruntime的值
	u64 vruntime = cfs_rq->min_vruntime;

	/*
	 * The 'current' period is already promised to the current tasks,
	 * however the extra weight of the new task will slow them down a
	 * little, place the new task so that it fits in the slot that
	 * stays open at the end.
	 */
	if (initial && sched_feat(START_DEBIT))
		vruntime += sched_vslice(cfs_rq, se);

	/* sleeps up to a single latency don't count. */
	if (!initial) {
		unsigned long thresh = sysctl_sched_latency;

		/*
		 * Halve their sleep time's effect, to allow
		 * for a gentler effect of sleepers:
		 */
		if (sched_feat(GENTLE_FAIR_SLEEPERS))
			thresh >>= 1;

		vruntime -= thresh;
	}

	/* ensure we never gain time by being placed backwards. */
	//通过`max_vruntime`获取最大的`vruntime`
	se->vruntime = max_vruntime(se->vruntime, vruntime);
}

`update_curr`

update_curr函数用来更新当前进程的运行时间信息（形象比喻为linux CFS的记账函数，其中时间账本为struct sched_entity）以及当前CPU cfs就绪队列的重要成员（如update_min_vruntime），注意到其参数为cfs就绪队列cfs_rq

update_curr

static void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
	struct sched_entity *curr = cfs_rq->curr;
	u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
	u64 delta_exec;

	if (unlikely(!curr))
		return;

	//计算出当前CFS运行队列的进程，距离上次更新虚拟时间的差值
	delta_exec = now - curr->exec_start;
	if (unlikely((s64)delta_exec <= 0))
		return;

	//更新exec_start的值
	curr->exec_start = now;

	schedstat_set(curr->statistics.exec_max,
		      max(delta_exec, curr->statistics.exec_max));

	//更新当前进程总共执行的时间
	curr->sum_exec_runtime += delta_exec;
	schedstat_add(cfs_rq->exec_clock, delta_exec);

	//通过calc_delta_fair计算当前进程虚拟时间
	curr->vruntime += calc_delta_fair(delta_exec, curr);
	//通过update_min_vruntime函数来更新CFS运行队列中最小的vruntime的值
	update_min_vruntime(cfs_rq);


	account_cfs_rq_runtime(cfs_rq, delta_exec);
}

`update_min_vruntime`：计算与判断

update_min_vruntime用于CFS就绪队列最小虚拟运行时间更新（见下文代码分析）

update_min_vruntime

判断函数todo

0x04 CFS的运行原理及核心代码走读

进程创建

进程的创建是通过do_fork()完成，调用链如下：do_fork()—-> _do_fork() —-> copy_process()—-> sched_fork()；当fork 进程时，核心copy_process以复制父进程的方式来生成一个新的task_struct，然后调用wake_up_new_task 函数将新进程添加到CPU的就绪队列中，等待调度器调度执行

long _do_fork(unsigned long clone_flags,unsigned long stack_start,unsigned long stack_size,int __user *parent_tidptr,int __user *child_tidptr,unsigned long tls){
    struct task_struct *p;
    int trace = 0;
    long nr;
    //......
    // 复制结构
    p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,child_tidptr, NULL, trace, tls, NUMA_NO_NODE);
    //......
    if (!IS_ERR(p)) {
        struct pid *pid;
        pid = get_task_pid(p, PIDTYPE_PID);
        nr = pid_vnr(pid);
        if (clone_flags & CLONE_PARENT_SETTID)
            put_user(nr, parent_tidptr);
        //......
        // 唤醒新进程
        wake_up_new_task(p);
        //......
        put_pid(pid);
    }
    //...
} 

static struct task_struct *copy_process(...){
    // 复制进程task_struct结构体
    struct task_struct *p;
    p = dup_task_struct(current, ...);
    // 复制files_struct
    retval = copy_files(clone_flags,p)
    // 复制fs_struct
    retval = copy_fs(clone_flags,p)
    // 复制mm_struct
    retval = copy_mm(clone_flags,p)
    // 复制进程的命名空间 nsproxy
    retval = copy_namespace(clone_flags,p)
    // 申请pid并设置进程号
    pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children,...);
    p->pid = pid_nr(pid);
    if (clone_flags & CLONE_THREAD) {
        p->tgid = current->tgid;
    }else{
        p->tgid = p->pid;
    }
    //...
}

一个新创建的普通进程，从调度的代码视角看，copy_process函数对新进程的task_struct 进行各种初始化，其中会调用sched_fork 来完成调度相关的初始化，核心逻辑如下：

static struct task_struct *copy_process(...){
    //...
    retval = sched_fork(clone_flags, p);
	//...
}

int sched_fork(unsigned long clone_flags, struct task_struct *p){
    __schedd_fork(clone_flags, p);
    p->__state = TASK_NEW;
    if (rt_prio(p->prio))
        p->sched_class = &rt_sched_class;
    else
        p->sched_class = &fair_sched_class; // fair_sched_class （CFS的调度类）是一个全局对象，为CFS调度算法的实现
}

static void __sched_fork(struct task_struct *p){
    p ->on_rq = 0;
    //...
    p->se.nr_migrations = 0;
    p->se.vruntime = 0; // 注意：新进程是0对老进程不公平，在新进程真正被加入运行队列时，会将其值设置为cfs_rq->min_vruntime
}

void wake_up_new_task(struct task_struct *p){
    // 为进程选择一个合适的cpu
    cpu = select_task_rq(p, task_cpu(p)
    // 为进程指定运行队列
    __set_task_cpu(p,cpu, WF_FORK));
    // 将进程添加到运行队列红黑树
    rq = __task_rq_lock(p);
    activate_task(rq, p, 0);
}

需要说明的是上面wake_up_new_task实现中，通过调用select_task_rq()函数重新选择CPU（逻辑核），通过调用调度类中select_task_rq方法选择调度类中最空闲的CPU。如此在缓存性能和空闲核两个点做权衡，同等条件会尽量优先考虑缓存命中率，选择同L1/L2的核，其次会选择同一个物理CPU上的（共享L3），最坏情况下去选择另一个（负载最小的）物理CPU上的核，称之为漂移。通常由于宿主机的CPU利用率过高的水平导致出现了漂移的情况，进程在不同的核上运行概率增加，导致缓存MISS，穿透到内存的访问次数增加，进程的运行性能就会下降

CFS调度类：task_fork_fair（进程创建）

接着sched_fork函数继续分析，其中fair_sched_class是CFS调度类实现，调用调度类中的task_fork函数

const struct sched_class fair_sched_class = {
	.next				= &idle_sched_class,
	.enqueue_task		= enqueue_task_fair,
	.dequeue_task		= dequeue_task_fair,
	.yield_task			= yield_task_fair,
	.yield_to_task		= yield_to_task_fair,
	.check_preempt_curr	= check_preempt_wakeup,
	.pick_next_task		= pick_next_task_fair,
	.put_prev_task		= put_prev_task_fair,
	//..
	.set_curr_task      = set_curr_task_fair,
	.task_tick			= task_tick_fair,
	.task_fork			= task_fork_fair,
	.prio_changed		= prio_changed_fair,
	.switched_from		= switched_from_fair,
	.switched_to		= switched_to_fair,
	.get_rr_interval	= get_rr_interval_fair,
	.update_curr		= update_curr_fair,
};

task_fork_fair函数主要做fork新进程创建相关的操作，参数p就是创建的task_struct，核心实现如下：

static void task_fork_fair(struct task_struct *p)
{
	struct cfs_rq *cfs_rq;
	struct sched_entity *se = &p->se, *curr;
	struct rq *rq = this_rq();
	struct rq_flags rf;
 
	rq_lock(rq, &rf);
	update_rq_clock(rq);
 
	cfs_rq = task_cfs_rq(current);
	//cfs_rq是CFS调度器就绪队列，curr指向当前正在cpu上运行的task的调度实体
	curr = cfs_rq->curr;                 
	if (curr) {
		//update_curr()函数是比较重要，主要是更新当前正在运行的调度实体的运行时间信息
		update_curr(cfs_rq);                 
		//初始化当前创建的新进程的虚拟时间
		se->vruntime = curr->vruntime;       
	}

	//place_entity()函数在进程创建以及唤醒的时候都会调用，创建进程的时候传递参数initial=1。主要目的是更新调度实体得到虚拟时间（se->vruntime成员）。要和cfs_rq->min_vruntime的值保持差别不大
	place_entity(cfs_rq, se, 1);             
 
	/*
	这里为什么要减去cfs_rq->min_vruntime呢？因为现在计算进程的vruntime是基于当前cpu上的cfs_rq，并且现在还没有加入当前cfs_rq的就绪队列上。等到当前进程创建完毕开始唤醒的时候，加入的就绪队列就不一定是现在计算基于的cpu。所以，在加入就绪队列的函数中会根据情况加上当前就绪队列cfs_rq->min_vruntime。为什么要先减后加处理呢？假设cpu0上的cfs就绪队列的最小虚拟时间min_vruntime的值是1000000，此时创建进程的时候赋予当前进程虚拟时间是1000500。但是，唤醒此进程加入的就绪队列却是cpu1上CFS就绪队列，cpu1上的cfs就绪队列的最小虚拟时间min_vruntime的值如果是9000000。如果不采用先减后加方法，那么该进程在cpu1上运行肯定是乐坏了，疯狂的运行。现在的处理计算得到的调度实体的虚拟时间是1000500 - 1000000 + 9000000 = 9000500，因此事情就不是那么的糟糕
	*/

	// 另外这里减去的min_vruntime会在enqueue_entity入红黑树的时候加回
	se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;   
	rq_unlock(rq, &rf);
}

static void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
	struct sched_entity *curr = cfs_rq->curr;
	u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
	u64 delta_exec;
 
	if (unlikely(!curr))
		return;
 
	//计算本次更新虚拟时间距离上次更新虚拟时间的差
	delta_exec = now - curr->exec_start;                    
	if (unlikely((s64)delta_exec <= 0))
		return;
 
	curr->exec_start = now;
	curr->sum_exec_runtime += delta_exec;
	//更新当前调度实体虚拟时间，calc_delta_fair()函数根据上面说的虚拟时间的计算公式计算虚拟时间（也就是调用__calc_delta()函数）
	curr->vruntime += calc_delta_fair(delta_exec, curr);    
	// 更新CFS就绪队列的最小虚拟时间min_vruntime。min_vruntime也是不断更新的，主要就是跟踪就绪队列中所有调度实体的最小虚拟时间。如果min_vruntime一直不更新的话，由于min_vruntime太小，导致后面创建的新进程若根据这个值来初始化新进程的虚拟时间，那么就会扰乱调度新老进程的优先级
	update_min_vruntime(cfs_rq);                            
}

update_min_vruntime函数的意义在于动态更新当前调度器对应的CPU就绪队列最小虚拟时间（就绪队列本身的cfs_rq->min_vruntime成员）,由于CFS调度器选择最适合运行的进程是选择维护的红黑树中虚拟时间最小的进程，如果在当前进程运行的过程中（其vruntime不断增大），有进程加入就绪队列，那么红黑树最左边的进程的虚拟时间同样也有可能是最小的虚拟时间，这需要保证就绪队列的最小虚拟时间min_vruntime单调递增的特性来更新此值

static void update_min_vruntime(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
	struct sched_entity *curr = cfs_rq->curr;
	struct rb_node *leftmost = rb_first_cached(&cfs_rq->tasks_timeline);
	u64 vruntime = cfs_rq->min_vruntime;
 
	if (curr) {
		if (curr->on_rq)
			vruntime = curr->vruntime;
		else
			curr = NULL;
	}
 
	if (leftmost) { /* non-empty tree */
		struct sched_entity *se;
		se = rb_entry(leftmost, struct sched_entity, run_node);
 
		if (!curr)
			vruntime = se->vruntime;
		else
			vruntime = min_vruntime(vruntime, se->vruntime);
	}
 
	/* ensure we never gain time by being placed backwards. */
	cfs_rq->min_vruntime = max_vruntime(cfs_rq->min_vruntime, vruntime);
}

主流程place_entity，由于vruntime越小越容易被调度执行，所以这里要做两件事：

对新创建的进程进行惩罚
对旧进程（sleep很久）的进行进程补偿

static void
place_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int initial)
{
	u64 vruntime = cfs_rq->min_vruntime;
 
	/*
	 * The 'current' period is already promised to the current tasks,
	 * however the extra weight of the new task will slow them down a
	 * little, place the new task so that it fits in the slot that
	 * stays open at the end.
	 */
	//如果是创建进程调用该函数的话，参数initial参数是1
	//因此这里是处理创建的进程，针对刚创建的进程会进行一定的惩罚，将虚拟时间加上一个值就是惩罚，毕竟虚拟时间越小越容易被调度执行
	//惩罚的时间由sched_vslice()计算
	if (initial && sched_feat(START_DEBIT))
		vruntime += sched_vslice(cfs_rq, se);              
 
	/* sleeps up to a single latency don't count. */
	if (!initial) {
		unsigned long thresh = sysctl_sched_latency;
 
		/*
		 * Halve their sleep time's effect, to allow
		 * for a gentler effect of sleepers:
		 */
		if (sched_feat(GENTLE_FAIR_SLEEPERS))
			thresh >>= 1;
		
		//这里主要是针对唤醒的进程，针对睡眠很久的的进程，总是期望它很快得到调度执行，毕竟睡了那么久
		//所以这里减去一定的虚拟时间作为补偿
		vruntime -= thresh;                                 
	}
 
	/* ensure we never gain time by being placed backwards. */
	//保证调度实体的虚拟时间不能倒退。为何呢？可以想一下，如果一个进程刚睡眠1ms，然后醒来后你却要奖励3ms（虚拟时间减去3ms），然后他竟然赚了2ms。作为调度器，我们不做亏本生意。你睡眠100ms，奖励你3ms，那就是没问题的
	se->vruntime = max_vruntime(se->vruntime, vruntime);    
}

惩罚时间的计算由sched_vslice函数完成：

static u64 sched_vslice(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	return calc_delta_fair(sched_slice(cfs_rq, se), se);
}

static u64 sched_slice(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	u64 slice = __sched_period(cfs_rq->nr_running + !se->on_rq);    /* 1 */
 
	for_each_sched_entity(se) {                                     /* 2 */
		struct load_weight *load;
		struct load_weight lw;
 
		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		load = &cfs_rq->load;                                       /* 3 */
 
		if (unlikely(!se->on_rq)) {
			lw = cfs_rq->load;
 
			update_load_add(&lw, se->load.weight);
			load = &lw;
		}
		slice = __calc_delta(slice, se->load.weight, load);         /* 4 */
	}
	return slice;
}

TODO

0x05 调度方式一：新进程的调度过程

上一小节介绍了do_dork->sched_fork->task_fork_fair，对新进程创建到调度前的准备事项，本小节继续介绍唤醒新进程调度的流程，重要的几个方法：

wake_up_new_task
enqueue_task_fair
enqueue_entity
account_entity_enqueue
__enqueue_entity

1、新进程加入就绪队列，经过do_fork()的大部分初始化工作完成之后，接下来就是唤醒新进程准备运行，将新进程加入就绪队列准备调度

do_fork()-->_do_fork()-->wake_up_new_task()-->activate_task()-->enqueue_task()-->enqueue_task_fair()
                                   |
                                   +------------>check_preempt_curr()--->check_preempt_wakeup()

新进程的调度流程如下图：

do_fork

2、wake_up_new_task：负责唤醒新创建的进程，当准备就绪后会调用check_preempt_curr函数尝试抢占当前CPU，代码片段如下：

void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
{
	struct rq_flags rf;
	struct rq *rq;
	//....
 
	p->state = TASK_RUNNING;
#ifdef CONFIG_SMP
	p->recent_used_cpu = task_cpu(p);
	//通过调用select_task_rq()函数重新选择cpu，通过调用调度类中select_task_rq方法选择调度类中最空闲的cpu
	__set_task_cpu(p, select_task_rq(p, task_cpu(p), SD_BALANCE_FORK, 0));   
#endif
	rq = __task_rq_lock(p, &rf);

	//将进程加入（runqueue）就绪队列，通过调用调度类中enqueue_task方法
	activate_task(rq, p, ENQUEUE_NOCLOCK);                                  
	p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
	//既然新进程已经准备就绪，那么此时需要检查新进程是否满足抢占当前正在运行进程的条件，如果满足抢占条件需要设置TIF_NEED_RESCHED标志位
	check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);                                      
}

void activate_task(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	if (task_contributes_to_load(p))
		rq->nr_uninterruptible--;

	enqueue_task(rq, p, flags);
}

static inline void enqueue_task(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	update_rq_clock(rq);
	if (!(flags & ENQUEUE_RESTORE))
		sched_info_queued(rq, p);
	//CFS调度类对应的enqueue_task方法函数是enqueue_task_fair()
	p->sched_class->enqueue_task(rq, p, flags);
}

3、CFS的入队策略enqueue_task_fair函数

static void
enqueue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	struct cfs_rq *cfs_rq;
	struct sched_entity *se = &p->se;
 
	for_each_sched_entity(se) {            
		//on_rq成员代表调度实体是否已经在就绪队列中
		//值为1代表在就绪队列中，当然就无需继续添加就绪队列了          
		if (se->on_rq)                      
			break;
		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		//enqueue_entity：将调度实体加入就绪队列，入队（enqueue）操作
		enqueue_entity(cfs_rq, se, flags);            
	}
 
	if (!se)
		add_nr_running(rq, 1);
 
	hrtick_update(rq);
}

4、enqueue_entity函数：将调度实体se插入cfs_rq的调度红黑树结构中

static void enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
{
	bool renorm = !(flags & ENQUEUE_WAKEUP) || (flags & ENQUEUE_MIGRATED);
	bool curr = cfs_rq->curr == se;
 
	/*
	 * If we're the current task, we must renormalise before calling
	 * update_curr().
	 */
	if (renorm && curr)
		/*
	如果传入的调度实体是当前进程，并且当前进程不是被唤醒或者迁移CPU，那么当前进程的虚拟运行时间就需要加上队列当前的最小虚拟运行时间。虚拟运行时间增加，意味着在红黑树中往右边移动，下一次会更晚的被调度到
		这一步需要在下面调用update_curr函数之前进行。
		*/
		se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;
 
	//update_curr 顺便更新当前运行调度实体的虚拟时间信息
	update_curr(cfs_rq);                        
 
	if (renorm && !curr)
		//还记得之前在task_fork_fair()函数最后减去的min_vruntime吗？入就绪队列时再加回来
		se->vruntime += cfs_rq->min_vruntime;   
 
	//更新就绪队列相关信息，例如就绪队列的权重
	account_entity_enqueue(cfs_rq, se);         
 
	if (flags & ENQUEUE_WAKEUP)
		//针对唤醒的进程（flag有ENQUEUE_WAKEUP标识），是需要根据情况给予一定的补偿
		//见place_entity()函数分析
		//当然这里针对新进程第一次加入就绪队列是不需要调用的
		place_entity(cfs_rq, se, 0);            
 
	if (!curr)
		//__enqueue_entity()是将se加入就绪队列维护的红黑树中，所有的se以vruntime为key
		__enqueue_entity(cfs_rq, se);           
	//所有的操作完毕也意味着se已经加入cfs就绪队列，置位on_rq成员
	se->on_rq = 1;                              
}

5、__enqueue_entity函数：将当前的调度实体加入当前cfs_rq的红黑树，并触发红黑树的自调整

static void __enqueue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	//红黑树根节点
	struct rb_node **link = &cfs_rq->tasks_timeline.rb_node;
	struct rb_node *parent = NULL;
	struct sched_entity *entry;
	int leftmost = 1;

	/*
	 * Find the right place in the rbtree:
	 */
	   /*
     * 从红黑树中找到se所应该在的位置
     * 同时leftmost标识其位置是不是最左结点
     * 如果在查找结点的过程中向右走了, 则置leftmost为0
     * 否则说明一直再相左走, 最终将走到最左节点, 此时leftmost始终为1
     */
	while (*link) {
		parent = *link;
		// 利用container_of找到节点实例的首地址
		entry = rb_entry(parent, struct sched_entity, run_node);
		/*
		 * We dont care about collisions. Nodes with
		 * the same key stay together.
		 * 以se->vruntime值为键值进行红黑树结点的比较
		 */
		if (entity_before(se, entry)) {
			// 注意：vruntime可能会溢出，但不影响计算结果，见上文分析
			link = &parent->rb_left;
		} else {
			link = &parent->rb_right;
			leftmost = 0;
		}
	}

	/*
	 * Maintain a cache of leftmost tree entries (it is frequently
	 * used):
	 * 如果leftmost为1, 说明se是红黑树当前的最左结点, 即vruntime最小
     * 那么把这个节点保存在cfs就绪队列的rb_leftmost域中
	 */
	if (leftmost)
		cfs_rq->rb_leftmost = &se->run_node;

	//在红黑树中插入节点，即将node节点插入到parent节点的左树或者右树
	rb_link_node(&se->run_node, parent, link);
	//设置节点的颜色（触发rbtree平衡）
	rb_insert_color(&se->run_node, &cfs_rq->tasks_timeline);
}

void rb_insert_color(struct rb_node *node, struct rb_root *root)
{
	__rb_insert(node, root, dummy_rotate);
}

6、account_entity_enqueue：更新就绪队列的相关信息，如权重等

static void account_entity_enqueue(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	//更新就绪队列权重，就是将se权重加在就绪队列权重上面
	update_load_add(&cfs_rq->load, se->load.weight);  
	if (!parent_entity(se))
		//cpu就绪队列struct rq同样也需要更新权重信息
		update_load_add(&rq_of(cfs_rq)->load, se->load.weight);   
#ifdef CONFIG_SMP
	if (entity_is_task(se)) {
		struct rq *rq = rq_of(cfs_rq);
 
		account_numa_enqueue(rq, task_of(se));
		//将调度实体se加入链表
		list_add(&se->group_node, &rq->cfs_tasks);                 
	}
#endif
	//就绪队列中所有调度实体的个数+1
	cfs_rq->nr_running++;                                          
}

至此，对新建进程已经成功加入了CPU的CFS就绪队列，这里只需要等待CFS算法在合适的时机进行调度

0x06 调度方式二：周期性调度

除了对新建进程的调度方式外，还有另外一种核心调度模式即周期性调度。周期性调度是指Linux定时周期性地检查当前任务是否耗尽当前进程的时间片（关于耗尽检测的说法见后文分析），并检查是否应该抢占当前进程。一般会在定时器的中断函数中，通过一层层函数调用最终到scheduler_tick()函数，周期性调度的核心方法如下：

scheduler_tick
entity_tick
check_preempt_tick
check_preempt_curr

void scheduler_tick(void)
{
	int cpu = smp_processor_id();
	struct rq *rq = cpu_rq(cpu);
	struct task_struct *curr = rq->curr;

	sched_clock_tick();

	raw_spin_lock(&rq->lock);
	update_rq_clock(rq);
	//调用调度类对应的task_tick方法，针对CFS调度类该函数是task_tick_fair
	curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);
	cpu_load_update_active(rq);
	calc_global_load_tick(rq);
	raw_spin_unlock(&rq->lock);

	perf_event_task_tick();

#ifdef CONFIG_SMP
	rq->idle_balance = idle_cpu(cpu);
	trigger_load_balance(rq);	//触发负载均衡
#endif
	rq_last_tick_reset(rq);
}

1、task_tick_fair/entity_tick（又看到了熟悉的update_curr函数）

entity_tick

static void task_tick_fair(struct rq *rq, struct task_struct *curr, int queued)
{
	struct cfs_rq *cfs_rq;
	struct sched_entity *se = &curr->se;
	//for循环是针对组调度，组调度未打开的情况下，这里就是一层循环
	for_each_sched_entity(se) {
		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		entity_tick(cfs_rq, se, queued);
	}
}

static void entity_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr, int queued)
{
	/*
	 * Update run-time statistics of the 'current'.
	 */
	//调用update_curr()更新当前运行的调度实体的虚拟时间等信息
	update_curr(cfs_rq);                    
 
	if (cfs_rq->nr_running > 1)
		//如果就绪队列就绪态的调度实体个数大于1需要检查是否满足抢占条件，如果可以抢占就设置TIF_NEED_RESCHED flag
		check_preempt_tick(cfs_rq, curr);     
}

2、check_preempt_tick：周期性调度的核心逻辑，统计当前进程curr已经运行的时间，以此判断是否能够被其他进程抢占，如果cfs判断需要立马抢占，只是调用resched_curr去设置抢占标志TIF_NEED_RESCHED，那么真正的切换时机呢？根据进程调度第一定律，一定要等待正在运行的进程自身调用 __schedule 函数实现

static void
check_preempt_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
	unsigned long ideal_runtime, delta_exec;
	struct sched_entity *se;
	s64 delta;
 
	//计算curr进程在本次调度周期中应该分配的时间片。时间片用完就应该被抢占
	ideal_runtime = sched_slice(cfs_rq, curr); 
	//delta_exec：是当前进程已经运行的实际时间
	//
	delta_exec = curr->sum_exec_runtime - curr->prev_sum_exec_runtime; 
	if (delta_exec > ideal_runtime) {
		//如果实际运行时间已经超过分配给进程的时间片，自然就需要抢占当前进程。设置TIF_NEED_RESCHED flag
		resched_curr(rq_of(cfs_rq));           
		clear_buddies(cfs_rq, curr);
		return;
	}
 
	// 为了防止频繁过度抢占，应该保证每个进程运行时间不应该小于最小粒度时间sysctl_sched_min_granularity
	// 因此如果运行时间小于最小粒度时间，不应该抢占
	if (delta_exec < sysctl_sched_min_granularity) 
		return;
 
    //从红黑树中找到虚拟时间最小的调度实体
	se = __pick_first_entity(cfs_rq);             
	delta = curr->vruntime - se->vruntime;
 
    //如果当前进程的虚拟时间仍然比红黑树中最左边调度实体虚拟时间小，也不应该发生调度
	if (delta < 0)                                
		return;

	//这里把虚拟时间和实际时间比较，看起来很奇怪
	//感觉就像是bug一样，然后经过查看提交记录，作者的意图是：希望权重小的任务更容易被抢
	if (delta > ideal_runtime)                    
		resched_curr(rq_of(cfs_rq));
}

小结下，针对每一次周期调度流程

更新当前正在运行进程的虚拟时间
检查当前进程是否满足被抢占的条件，即check_preempt_tick函数中的if (delta_exec > ideal_runtime)....，然后置位IF_NEED_RESCHED
检查TIF_NEED_RESCHED flag
- 如果置位，从就绪队列中挑选最小虚拟时间的进程运行
- 将当前被强占的进程重新加入就绪队列红黑树上（enqueue task）
- 从就绪队列红黑树上删除即将运行进程的节点（dequeue task）

0x07 如何挑选下一个合适进程？

当进程被设置TIF_NEED_RESCHED flag后会在某一时刻触发系统发生调度或者进程调用schedule()函数主动放弃cpu使用权，触发系统调度

1、schedule/__schedule，CFS 的调度过程是由 schedule 函数完成的，该函数的执行过程如下：

关闭当前 CPU 的抢占功能
如果当前 CPU 的运行队列中不存在任务，调用 idle_balance 从其他 CPU 的运行队列中取一部分执行
调用 pick_next_task 选择红黑树中优先级最高的任务
调用 context_switch 切换运行的上下文，包括寄存器的状态和堆栈
重新开启当前 CPU 的抢占功能

// schedule 方法入口
asmlinkage __visible void __sched schedule(void){
    struct task_struct *tsk = current;
    sched_submit_work(tsk);
    do {
        preempt_disable();
        __schedule(false);
        sched_preempt_enable_no_resched();
    } while (need_resched());
}

//主要逻辑是在 __schedule 函数中实现的
static void __sched notrace __schedule(bool preempt)
{
	struct task_struct *prev, *next;
	struct rq_flags rf;
	struct rq *rq;
	int cpu;
 	// 在当前cpu 上取出任务队列rq（其实是红黑树）
	cpu = smp_processor_id();
	rq = cpu_rq(cpu);

	//prev即 即将要被切换走的"正在运行"的进程
	prev = rq->curr;
 
	if (!preempt && prev->state) {
		if (unlikely(signal_pending_state(prev->state, prev))) {
			prev->state = TASK_RUNNING;
		} else {
			//针对主动放弃cpu进入睡眠的进程，需要从对应的就绪队列上删除该进程（见下文分析）
			deactivate_task(rq, prev, DEQUEUE_SLEEP | DEQUEUE_NOCLOCK);    
			prev->on_rq = 0;
		}
	}

	// 获取下一个待执行任务，其实就是从当前rq 的红黑树节点中选择vruntime最小的节点
	next = pick_next_task(rq, prev, &rf);   
	//清除TIF_NEED_RESCHED flag
	clear_tsk_need_resched(prev);           
 
	if (likely(prev != next)) {
		rq->curr = next;
		// 当选出的继任者和前任不同，就要进行上下文切换，继任者进程正式进入运行
		//上下文切换，从prev进程切换到next进程
		rq = context_switch(rq, prev, next, &rf);    
	}
 
	balance_callback(rq);
}

2、pick_next_task/pick_next_task_fair：CFS调度器选择下一个执行进程

pick_next_task_fair

static struct task_struct *
pick_next_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf)
{
	struct cfs_rq *cfs_rq = &rq->cfs;
	struct sched_entity *se;
	struct task_struct *p;
	int new_tasks;
 
again:
	if (!cfs_rq->nr_running)
		goto idle;
	
	//处理prev进程的后事，当进程让出cpu时就会调用该函数
	put_prev_task(rq, prev);                        
	do {
		//选择最适合运行的调度实体
		se = pick_next_entity(cfs_rq, NULL);
		//选择出来的调度实体se还需要继续加工一下才能投入运行，加工方法set_next_entity，见下文分析     
		set_next_entity(cfs_rq, se);              
		cfs_rq = group_cfs_rq(se);
		//针对没有使能组调度的情况下，循环一次即退出循环
	} while (cfs_rq);                           
 
	p = task_of(se);
#ifdef CONFIG_SMP
	list_move(&p->se.group_node, &rq->cfs_tasks);
#endif
 
	if (hrtick_enabled(rq))
		hrtick_start_fair(rq, p);
 
	return p;
idle:
	new_tasks = idle_balance(rq, rf);
 
	if (new_tasks < 0)
		return RETRY_TASK;
 
	if (new_tasks > 0)
		goto again;
 
	return NULL;
}

3、put_prev_task()/put_prev_task_fair()：是将即将失去执行权的当前进程，放回到其调度器的就绪队列中，核心工作由put_prev_entity函数实现，虽然参数叫prev，但是记住目前仍然是rq->curr

static void put_prev_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *prev)
{
	struct sched_entity *se = &prev->se;
	struct cfs_rq *cfs_rq;
	for_each_sched_entity(se) {         
		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		put_prev_entity(cfs_rq, se);      
	}
}

static void put_prev_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *prev)
{
	/*
	 * If still on the runqueue then deactivate_task()
	 * was not called and update_curr() has to be done:
	 */
	/*
	如果prev进程依然在就绪队列上，极有可能是prev进程被强占的情况。在让出cpu之前需要更新进程虚拟时间等信息
	如果prev进程不在就绪队列上，这里可以直接跳过更新。因为，prev进程在deactivate_task()中已经调用了update_curr()，所以这里就可以省略了
	*/
	if (prev->on_rq)                            
		update_curr(cfs_rq);

	/*
	如果prev进程依然在就绪队列上，需要重新将prev进程插入红黑树等待调度
	*/
	if (prev->on_rq) {
		/* Put 'current' back into the tree. */

		/*
			重新将prev进程插入红黑树等待调度
		*/
		__enqueue_entity(cfs_rq, prev);         
		/* in !on_rq case, update occurred at dequeue */

		/*
		更新prev进程的负载信息，这些信息在负载均衡的时候会用到
		*/
		update_load_avg(cfs_rq, prev, 0);      
	}
	/*
	后事已经处理完毕，就绪队列的curr指针也应该指向NULL，代表当前就绪队列上没有正在运行的进程
	*/
	cfs_rq->curr = NULL;                        
}

4、set_next_entity，此函数用于将调度实体存放的进程做为下一个可执行进程的信息保存下来，注意这里参数se已经是选中被调度的实体了

static void
set_next_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	/* 'current' is not kept within the tree. */
	if (se->on_rq) {
		/*
		__dequeue_entity()是将调度实体从红黑树中删除，针对即将运行的进程，都会从红黑树中删除当前进程。当进程被强占后，调用put_prev_entity()函数会重新插入红黑树。因此这个地方和put_prev_entity()函数中加入红黑树是个呼应
		*/
		__dequeue_entity(cfs_rq, se);            
		//更新进程的负载信息。负载均衡会使用       
		update_load_avg(cfs_rq, se, UPDATE_TG);  
	}

	//更新就绪队列curr成员，现在se是当前正在运行的进程
	cfs_rq->curr = se;
	//update_stats_curr_start更新调度实体exec_start成员，为update_curr()函数统计时间做准备                            
    update_stats_curr_start(cfs_rq, se);
	//check_preempt_tick()函数用到，统计当前进程已经运行的时间，以此判断是否能够被其他进程抢占
	se->prev_sum_exec_runtime = se->sum_exec_runtime;   
}

0x08 进程的睡眠

1、在__schedule方法中，注意到如果当前占用CPU的prev进程主动睡眠，那么会调用deactivate_task()函数，最终会调用调度类dequeue_task/dequeue_task_fair方法，该函数与enqueue_task_fair()的作用刚好相反，即将调度实体se从对应的就绪队列cfs_rq上删除

static void dequeue_task_fair(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	struct cfs_rq *cfs_rq;
	struct sched_entity *se = &p->se;
	int task_sleep = flags & DEQUEUE_SLEEP;
	for_each_sched_entity(se) {                 
		cfs_rq = cfs_rq_of(se);
		//将调度实体se从对应的就绪队列cfs_rq上删除
		dequeue_entity(cfs_rq, se, flags);      
	}
	if (!se)
		sub_nr_running(rq, 1);
}

static void dequeue_entity(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se, int flags)
{
	//出就绪队列之前更新下cfs_rq已经curr当前正在运行进程的虚拟时间等信息
	update_curr(cfs_rq);                          
	if (se != cfs_rq->curr)
		//如果se不是当前正在运行的进程，其对应的调度实体还在cfs就绪队列红黑树上，调用__dequeue_entity()函数从红黑树上删除节点
		__dequeue_entity(cfs_rq, se);          
	//调度实体已经从就绪队列的红黑树上删除，因此更新on_rq成员
	se->on_rq = 0;                                

	//更新就绪队列相关信息，例如权重信息
	account_entity_dequeue(cfs_rq, se);           
	if (!(flags & DEQUEUE_SLEEP))
		//如果进程不是睡眠（例如从一个CPU迁移到另一个CPU），进程最小虚拟时间需要减去当前就绪队列对应的最小虚拟时间
		//迁移之后会在enqueue的时候加上对应CPU（可能是同个也可能是另外一个）的CFS就绪队列最小拟时间
		se->vruntime -= cfs_rq->min_vruntime;     
} 

2、account_entity_dequeue

static void account_entity_dequeue(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *se)
{
	//从就绪队列权重总和中减去当前dequeue调度实体的权重
	update_load_sub(&cfs_rq->load, se->load.weight); 
	if (!parent_entity(se))
		update_load_sub(&rq_of(cfs_rq)->load, se->load.weight);
#ifdef CONFIG_SMP
	if (entity_is_task(se)) {
		account_numa_dequeue(rq_of(cfs_rq), task_of(se));
		// 从链表中删除调度实体se
		list_del_init(&se->group_node);                   
	}
#endif
	//就绪队列中可运行调度实体计数减1
	cfs_rq->nr_running--;                                 
}

0x09 唤醒抢占

抢占当前进程条件

当进程被唤醒时（wake_up_new_task、try_to_wake_up等），也是检查进程是否可以抢占当前进程执行权的时机，因为唤醒的进程有可能具有更高的优先级或者更小的虚拟时间。此时会调用check_preempt_curr执行抢占检查的工作：

1、wake_up_new_task函数

void wake_up_new_task(struct task_struct *p)
{
	struct rq_flags rf;
	struct rq *rq;
 
	p->state = TASK_RUNNING;

	rq = __task_rq_lock(p, &rf);
	activate_task(rq, p, ENQUEUE_NOCLOCK);                                   
	p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED;
	// 既然唤醒了新进程，那么就检查是否能够抢占执行
	check_preempt_curr(rq, p, WF_FORK);                                      
}

void check_preempt_curr(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags)
{
	const struct sched_class *class;
 
	if (p->sched_class == rq->curr->sched_class) {
		//唤醒的进程和当前的进程同属于一个调度类，直接调用调度类的check_preempt_curr函数检查抢占条件
		rq->curr->sched_class->check_preempt_curr(rq, p, flags);   
	} else {
		//否则如果唤醒的进程和当前进程不属于一个调度类，就需要按照调度器类的优先级来选择
		//例如，当期进程是CFS调度类，唤醒的进程是RT调度类，自然实时进程是需要抢占当前进程的，因为优先级更高
		for_each_class(class) {                                    
			if (class == rq->curr->sched_class)
				break;
			if (class == p->sched_class) {
				resched_curr(rq);
				break;
			}
		}
	}
}

2、check_preempt_wakeup函数，假设唤醒的进程和当前的进程同属于一个CFS调度类

static void check_preempt_wakeup(struct rq *rq, struct task_struct *p, int wake_flags)
{
	struct sched_entity *se = &curr->se, *pse = &p->se;
	struct cfs_rq *cfs_rq = task_cfs_rq(curr);
 
	//重要：检查唤醒的进程是否满足抢占当前进程的条件
	if (wakeup_preempt_entity(se, pse) == 1)   
		goto preempt;
 
	return;
preempt:
	//如果可以抢占当前进程，设置TIF_NEED_RESCHED flag
	resched_curr(rq);                           
}

3、wakeup_preempt_entity函数：传入两个调度实体，返回对比结果（是否可以抢占）

wakeup_preempt_entity

static int wakeup_preempt_entity(struct sched_entity *curr, struct sched_entity *se)
{
	s64 gran, vdiff = curr->vruntime - se->vruntime;
 
	if (vdiff <= 0)                    /* 1 */
		return -1;
 
	gran = wakeup_gran(se);
	if (vdiff > gran)                  /* 2 */
		return 1;
 
	return 0;
}

0x0A 总结

vruntime

vruntime本质是一个累计值，作为每个调度实体（struct sched_entity）的 vruntime 字段记录该进程的加权累计运行时间

1、vruntime的累加性质

2、vruntime的特殊调整

3、vruntime的底层实现

0x 一些细节

为什么说CFS是公平的？

在 CFS中，尽管所有进程的 vruntime 最终会趋向于同步增长，但高优先级进程（权重更高的进程）实际获得的 CPU 时间更多。这是 CFS 实现公平的核心机制：通过调整虚拟运行时间的增长速度，让高优先级进程在虚拟运行时间维度上看似公平，而在物理时间维度上获得更多资源

所有进程的 vruntime 最终会趋向同步增长，看似公平
但在物理时间维度上，高优先级进程通过权重机制获得了更多资源，这是对优先级差异的合理体现

vruntime 同步增长是 CFS 实现公平的表象，确保所有进程在虚拟时间维度上平等。实际 CPU 时间分配中高优先级进程通过更慢的 vruntime 增长，获得更多物理时间，这是权重的直接作用

如何检测时间耗尽？

sched_slice可以计算计算一个调度周期内一个调度实体可以分配多少运行时间，那么CPU如何知道这个调度实体已经运行到达它的运行时间上限了呢？换句话说CPU如何检查某个进程已经用完了它此刻的”时间片”？结合本文描述，在 Linux CFS 调度算法中，sched_slice 用于计算一个调度周期内调度实体（如进程或线程）应分配的理想运行时间。但 CFS 算法并不严格依赖固定的时间片（如传统时间片轮转调度），而是通过虚拟运行时间（vruntime）的动态比较实现公平性。以下是 CPU 判断调度实体是否耗尽时间上限的机制：

1、sched_slice 的作用与计算：表示一个调度实体在理想公平条件下，每个调度周期内应分配的实际物理运行时间，该时间与进程权重（优先级nice值）以及系统配置调度周期（kernel.sched_latency_ns）相关，sched_slice 的结果仅仅是理论值，用于初始化期望运行时间，实际调度中CFS 是通过 vruntime 来实现动态平衡的

2、 CFS 算法如何跟踪某个调度实体的运行时间上限？CFS 不会直接检查进程是否用完 sched_slice，而是通过以下机制间接判断：

进程的虚拟运行时间（vruntime）：按优先级加权累计。vruntime 的增长速率与实际运行时间和权重相关。对于高优先级进程而言，权重越高，vruntime 增长慢，能运行更久。而对低优先级进程，权重低，vruntime 增长快，更快让出 CPU
红黑树与最小 vruntime：CFS的运行队列是一颗红黑树，所有可运行进程按 vruntime 排序，最左侧节点是 vruntime 最小的进程；此外，CFS的公平性规则保证CFS 总是选择 vruntime 最小的进程运行，若当前当某个运行进程的 vruntime 超过其他进程的最小值时，会被抢占

3、CFS算法如何检测时间耗尽呢，一般有如下场景：

3.1 时钟中断触发更新

通过时钟中断触发更新，在周期性时钟中断的核心处理逻辑实现，即在中断处理中调用 scheduler_tick()函数，进而触发CFS的调度核心逻辑 task_tick_fair()
在task_tick_fair()-->entity_tick()-->update_curr()方法中，会即时对vruntime更新累加

//通过 update_curr() 计算当前进程已运行的物理时间（delta_exec），并更新其 vruntime
void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq) {
	// ...
    struct sched_entity *curr = cfs_rq->curr;
    u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
    u64 delta_exec = now - curr->exec_start;  // 计算实际运行时间
	// ...
    curr->vruntime += calc_delta_fair(delta_exec, curr); // 更新 vruntime
    curr->exec_start = now;
}

3.2 CFS调度算法检查是否需要触发抢占，在task_tick_fair()-->entity_tick()--->check_preempt_tick()-->resched_curr()实现，会检测两种情况：

核心是比较 vruntime，参考下面的代码片段：即计算当前进程的 vruntime 与红黑树中最小 vruntime 的差值。若差值超过阈值（sysctl_sched_min_granularity，默认为 0.75ms），则标记需要抢占

/*
 * Preempt the current task with a newly woken task if needed:
 */
static void
check_preempt_tick(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
	unsigned long ideal_runtime, delta_exec;
	struct sched_entity *se;
	s64 delta;

	ideal_runtime = sched_slice(cfs_rq, curr);
	// 作用：
	delta_exec = curr->sum_exec_runtime - curr->prev_sum_exec_runtime;
	if (delta_exec > ideal_runtime) {
		resched_curr(rq_of(cfs_rq));
		/*
		 * The current task ran long enough, ensure it doesn't get
		 * re-elected due to buddy favours.
		 */
		clear_buddies(cfs_rq, curr);
		return;
	}

	/*
	 * Ensure that a task that missed wakeup preemption by a
	 * narrow margin doesn't have to wait for a full slice.
	 * This also mitigates buddy induced latencies under load.
	 */
	if (delta_exec < sysctl_sched_min_granularity)
		return;

	// 获取当前cfs_rq红黑树上最左边的节点
	se = __pick_first_entity(cfs_rq);

	// 计算当前正在运行的进程vruntime 与红黑树vruntime最小节点的vruntime的差值
	delta = curr->vruntime - se->vruntime;

	if (delta < 0)
		//说明当前运行进程的vruntime较小
		return;

	// 如果差值delta大于ideal_runtime，那么则通过resched_curr标记抢占
	// 注意到ideal_runtime是sched_slice函数的结果
	if (delta > ideal_runtime)
		resched_curr(rq_of(cfs_rq));	//触发重新调度
}

3.3 抢占标记与调度

设置抢占标志：若进程已运行足够长时间（vruntime 超出其他进程），内核设置 TIF_NEED_RESCHED 标志
调度时机：在下次用户态返回或内核态抢占点，主动调用 schedule() 切换进程，这里要牢记进程调度切换第一定律

4、动态调整的时间上限，CFS 的实际运行时间上限是动态的，受以下因素影响：

进程权重与优先级：高优先级进程的 sched_slice 更长，但通过 vruntime 的缓慢增长间接实现，而非硬性时间限制
运行队列负载：若运行队列中有大量进程，调度周期（sysctl_sched_latency）可能扩展为 调度周期 = max(6ms, nr_running × 0.75ms)，避免时间片过小
最小调度粒度（sysctl_sched_min_granularity）：进程至少运行 sysctl_sched_min_granularity 默认为0.75ms才会被抢占，防止频繁切换

0x00 前言

0x01 CFS数据结构及关系

sched_class：调度器类

task_struct调度相关

CPU就绪队列 AND CFS 就绪队列

调度实体

0x02 CFS相关的一些概念

调度周期：sysctl_sched_latency

调度延迟：sched_period

nice：普通进程的优先级

虚拟运行时间vruntime VS runtime

min_vruntime：CFS就绪队列的最小虚拟运行时间（实时）

0x03 代码中若干重要函数

`calc_delta_fair`

`sched_slice`

`place_entity`

`update_curr`

`update_min_vruntime`：计算与判断

0x04 CFS的运行原理及核心代码走读

进程创建

CFS调度类：task_fork_fair（进程创建）

0x05 调度方式一：新进程的调度过程

0x06 调度方式二：周期性调度

0x07 如何挑选下一个合适进程？

0x08 进程的睡眠

0x09 唤醒抢占

抢占当前进程条件

0x0A 总结

vruntime

0x 一些细节

为什么说CFS是公平的？

如何检测时间耗尽？

0x0 参考

CATALOG

FEATURED TAGS

FRIENDS

0x00 前言

0x01 CFS数据结构及关系

sched_class：调度器类

task_struct调度相关

CPU就绪队列 AND CFS 就绪队列

调度实体

0x02 CFS相关的一些概念

调度周期：sysctl_sched_latency

调度延迟：sched_period

nice：普通进程的优先级

虚拟运行时间vruntime VS runtime

min_vruntime：CFS就绪队列的最小虚拟运行时间（实时）

0x03 代码中若干重要函数

calc_delta_fair

sched_slice

place_entity

update_curr

update_min_vruntime：计算与判断

0x04 CFS的运行原理及核心代码走读

进程创建

CFS调度类：task_fork_fair（进程创建）

0x05 调度方式一：新进程的调度过程

0x06 调度方式二：周期性调度

0x07 如何挑选下一个合适进程？

0x08 进程的睡眠

0x09 唤醒抢占

抢占当前进程条件

0x0A 总结

vruntime

0x 一些细节

为什么说CFS是公平的？

如何检测时间耗尽？

0x0 参考

CATALOG

FEATURED TAGS

FRIENDS

`calc_delta_fair`

`sched_slice`

`place_entity`

`update_curr`

`update_min_vruntime`：计算与判断