揭秘 Linux 调度策略与 CFS 调度算法：解锁内核的奥秘

引言

在当今计算机领域，Linux操作系统扮演着至关重要的角色，而其中的调度策略和内核结构体更是它多任务处理的核心。本文将引领你深入探索Linux中的调度策略，理解不同策略如何影响线程的执行顺序，并研究CFS（完全公平调度器）调度算法的运作原理。此外，我们还将涉及一些内核结构体的重要性，帮助你更好地理解Linux内核的运行机制。

敲开调度策略的门

在Linux中，调度器是内核的一部分，它的任务是决定下一个由CPU执行的可运行线程。每个线程都有一个关联的调度策略和一个静态调度优先级（sched_priority）。调度器基于系统上所有线程的调度策略和静态优先级来做出决策。

(1) 普通调度策略与实时调度策略

普通调度策略：

• 包括SCHED_OTHER、SCHED_IDLE、SCHED_BATCH。
• sched_priority在调度决策中不起作用，必须指定为0。

实时调度策略：

• 包括SCHED_FIFO和SCHED_RR。
• 具有sched_priority值，范围在1（低）到99（高）之间。
• 实时线程始终比普通线程具有更高的优先级。

(2) 调度策略工作原理

• 调度器维护了每个可能sched_priority值的可运行线程列表。
• 为了确定下一个运行的线程，调度器查找具有最高静态优先级的非空列表，并选择此列表头部的线程。
• 线程的调度策略决定了它将插入到具有相同静态优先级的线程列表中的位置，以及它在此列表内部的移动方式。

(3) 内核结构体

sched_class结构：通过一组函数指针描述了调度器，包括：

• __end_sched_classes，优先级最高 
• stop_sched_class，停止调度类 
• dl_sched_class，最早截至时间调度类 
• rt_sched_class，实时调度类 
• fair_sched_class，公平调度调度类 
• idle_sched_class，空转调度类 
• __begin_sched_classes，优先级最低

调度器优先级：优先级是编译时指定的，通过__begin_sched_classes和__end_sched_classes进行定位。

CFS调度算法

(1) 调度介绍

CFS调度算法是Linux中的核心调度器，旨在提供公平的CPU时间分配。以下是CFS调度的关键要点：

• 调度队列为cfs_rq，是一个红黑树，用于维护可运行线程。
• 进程的权重由nice值指定，权重越小，优先级越高。
• 最小调度粒度时间用于控制进程的切换频率。
• 进程的虚拟运行时间用于计算优先级，确保公平调度。

(2) CFS调度刷新机制

CFS的虚拟时间刷新通过scheduler_tick定时器实现。虚拟时间的更新依赖于scheduler_tick，task_tick_fair，entity_tick，update_curr，以及check_preempt_tick等机制。这确保了公平的调度和进程优先级的维护。

(3) 进程调度与内核结构体的交互

Linux进行进程调度时，内核调用schedule->__schedule，通过pick_next_task选择下一个要运行的进程。这过程涉及到各种调度类的尝试，优先级比较和进程切换等操作。同时，当前进程的虚拟时间会得到更新，确保在下一次被调度时优先级正确。

总结

深度了解Linux的调度策略、CFS调度算法和内核结构体是优化系统性能和资源管理的关键一步。本文提供了详细的解释和工作原理，为你揭示了Linux内核的运行机制。通过充分了解这些核心概念，你将能够更好地掌控Linux系统，提高其性能和响应能力。

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