- 核心设计理念
基本目标
• 完全公平：按权重而非绝对时间分配CPU份额
• 低开销：调度决策高效，适合大规模任务
• 良好响应性：保证交互式任务及时响应
公平性定义
• 公平 = 每个任务获得与其权重成比例的CPU时间
• 高优先级任务（低nice值）获得更多CPU时间
• 防止任何任务饿死
- 核心机制：虚拟运行时（vruntime）
vruntime计算
vruntime_increase = 实际运行时间 × (NICE_0_LOAD / 任务权重)
• 普通优先级任务：vruntime ≈ 实际运行时间
• 高优先级任务：vruntime增长更慢
• 低优先级任务：vruntime增长更快
vruntime的意义
• 衡量任务"已消耗的公平份额"
• vruntime越小，表示"吃亏"越多，优先级越高
• 调度目标：让所有任务的vruntime尽可能同步
- 数据结构与调度算法
红黑树管理
• 键值：任务的vruntime
• 最左节点：vruntime最小的任务，下一个被调度
• 操作效率：插入、删除、查找均为O(logN)
调度过程
选择任务：从红黑树取最左节点（vruntime最小）
任务运行：在CPU上执行
时间统计：更新实际运行时间和vruntime
重新插入：任务放回红黑树（如果仍可运行）
选择下一个：重复步骤1
时间管理与调度周期
关键参数
• sched_latency_ns：目标调度周期（默认24ms）
• sched_min_granularity_ns：最小时间片（默认3ms）
动态时间片计算
时间片 = max(调度周期/N, 最小时间片)
• 任务少时：每个任务获得较长时间片
• 任务多时：保证所有任务都能在周期内运行
- 任务状态处理
新任务创建
• vruntime初始化为当前运行队列的min_vruntime
• 给予适当补偿，避免过度"插队"
睡眠任务唤醒
• 关键机制：vruntime补偿 = -sched_latency_ns/2
• 目的：提升交互式任务响应性，但不破坏公平性
• 补偿值固定：不随任务数变化，保证最小响应性
实时进程关系
• 调度类优先级：RT > CFS > Idle
• 实时进程：总是抢占普通CFS任务
• 独立队列：实时进程使用优先级数组，CFS使用红黑树
- 多核与负载均衡
CPU间迁移
• vruntime调整：新vruntime = 原vruntime - 源CPUmin_vruntime + 目标CPUmin_vruntime
• 保持公平：迁移后维持相对进度位置
• 防止蜂拥：迁移不会获得不公平优势
负载均衡触发
• 周期性检查（每1-10ms）
• 新任务创建
• 任务唤醒
• CPU空闲时
- 抢占机制
调度触发点
- 主动调度：系统调用、阻塞操作
- 时钟中断：周期性检查（tick机制）
- 实时抢占：高优先级实时任务就绪
- 唤醒抢占：睡眠任务唤醒时可能抢占
完全抢占支持
• CONFIG_PREEMPT：允许内核态抢占
• 关键区域保护：持有自旋锁时不可抢占
• 中断返回路径：实际调度发生点
- 实际表现特性
优点
• ✅ 真正公平：按权重精确分配CPU时间
• ✅ 高扩展性：红黑树支持大量任务高效调度
• ✅ 良好响应性：交互式任务获得优先处理
• ✅ 自适应：动态调整时间片，平衡延迟和吞吐量
可调参数
查看和调整调度参数
/proc/sys/kernel/sched_latency_ns
/proc/sys/kernel/sched_min_granularity_ns
/proc/sys/kernel/sched_migration_cost_ns
- 总结
CFS是Linux调度器的重大进步，依据vruntime机制实现了真正的公平性：
• 核心创新：用vruntime替代传统时间片
• 高效实现：红黑树保证调度决策高效
• 公平保证：权重机制确保按比例分配CPU
• 响应性保障：睡眠补偿和完全抢占机制
• 多核优化：负载均衡和vruntime迁移保持跨CPU公平
这种设计使Linux能够同时满足服务器的高吞吐量和桌面的交互性需求，是现代操作系统调度算法的典范。
