Linux进程调度策略CFS调度详解

Linux 进程调度有一个有趣历史。在 2.5 版本之前，Linux 内核采用传统 UNIX 调度算法。然而，由于这个算法并没有考虑 SMP 系统，因此它并不足够支持 SMP 系统。此外，当有大量的可运行进程时，系统性能表现欠佳。

在内核 V2.5 中，调度程序进行了大改，采用了称为 O(1) 的调度算法，它的运行时间为常量，与系统内任务数量无关。O(1) 调度程序也增加了对 SMP 系统的支持，包括处理器亲和性和处理器间的负载平衡。然而，在实践中，虽然在 SMP 系统上 O(1) 调度程序具有出色的性能，但是在许多桌面计算机系统上交互进程的响应时间却欠佳。

在内核 V2.6 的开发中，调度程序再次修改；在内核 V2.6.23 的发布中，完全公平调度程序（CFS）成为默认的 Linux 调度算法。

Linux 系统的调度基于调度类。每个类都有一个特定优先级。内核针对不同的调度类，采用不同的调度算法，以便满足系统与进程的需要。例如，用于 Linux 服务器的调度准则，也许不同于移动设备的。为了确定应运行哪个进程，调度程序从最高优先级调度类中选择具有最高优先级的任务。

Linux 标准内核实现两个调度类：采用 CFS 调度算法的默认调度类和实时调度类。这里分别讨论这些。当然，新调度类也可添加。

CFS 调度程序并不采用严格规则来为一个优先级分配某个长度的时间片，而是为每个任务分配一定比例的 CPU 处理时间。每个任务分配的具体比例是根据友好值来计算的。友好值的范围从 -20 到 +19，数值较低的友好值表示较高的相对优先级。具有较低友好值的任务，与具有较高友好值的任务相比，会得到更高比例的处理器处理时间。默认友好值为 0。

友好一词源自如下想法：当一个任务增加了它的友好值，如从 0 至 +10，该任务通过降低优先级，进而对其他任务更加友好。

CFS 没有使用离散的时间片，而是采用目标延迟，这是每个可运行任务应当运行一次的时间间隔。根据目标延迟，按比例分配 CPU 时间。除了默认值和最小值外，随着系统内的活动任务数量超过了一定阈值，目标延迟可以增加。

CFS 调度程序没有直接分配优先级。相反，它通过每个任务的变量 vruntime 以便维护虚拟运行时间，进而记录每个任务运行多久。虚拟运行时间与基于任务优先级的衰减因子有关，更低优先级的任务比更高优先级的任务具有更高衰减速率。对于正常优先级的任务（友好值为 0），虚拟运行时间与实际物理运行时间是相同的。

因此，如果一个默认优先级的任务运行 200ms，则它的虚拟运行时间也为 200ms。然而，如果一个较低优先级的任务运行 200ms，则它的虚拟运行时间将大于 200ms。同样，如果一个更高优先级的任务运行 200ms，则它的虚拟运行时间将小于 200ms。当决定下步运行哪个任务时，调度程序只需选择具有最小虚拟运行时间的任务。此外，一个更高优先级的任务如成为可运行，就会抢占低优先级任务。

下面分析一下 CFS 调度程序是如何工作的。假设有两个任务，它们具有相同的友好值。一个任务是 I/O 密集型而另一个为 CPU 密集型。通常，I/O 密集型任务在运行很短时间后就会阻塞以便等待更多的 I/O；而 CPU 密集型任务只要有在处理器上运行的机会，就会用完它的时间片。

因此，I/O 密集型任务的虚拟运行时间最终将会小于 CPU 密集型任务的，从而使得 I/O 密集型任务具有更高的优先级。这时，如果 CPU 密集型任务在运行，而 I/O 密集型任务变得有资格可以运行（如该任务所等待的 I/O 已成为可用)，那么 I/O 密集型任务就会抢占 CPU 密集型任务。

Linux 也实现了实时调度。采用 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR 实时策略来调度的任何任务，与普通（非实时的）任务相比，具有更高的优先级。

Linux 采用两个单独的优先级范围，一个用于实时任务，另一个用于正常任务。实时任务分配的静态优先级为 0〜99，而正常任务分配的优先级为 100〜139。

这两个值域合并成为一个全局的优先级方案，其中较低数值表明较高的优先级。正常任务，根据它们的友好值，分配一个优先级；这里 -20 的友好值映射到优先级 100，而 +19 的友好值映射到 139。图 1 显示了这个方案。

图 1 Linux系统的调度优先级

CFS 性能

Linux CFS 调度程序釆用高效算法，以便选择运行下个任务。每个可运行的任务放置在红黑树上（这是一种平衡的、二分搜索树，它的键是基于虚拟运行时间的）。这种树如下图所示：

图 2 红黑树
 

当一个任务变成可运行时，它被添加到树上。当一个任务变成不可运行时（例如，当阻塞等待 I/O 时），它从树上被删除。一般来说，得到较少处理时间的任务（虚拟运行时间较小）会偏向树的左侧；得到较多处理时间的任务会偏向树的右侧。

根据二分搜索树的性质，最左侧的结点有最小的键值；从 CFS 调度程序角度而言，这也是具有最高优先级的任务。由于红黑树是平衡的，找到最左侧结点会需要 O(lgN) 操作（这里 N 为树内结点总数）。不过，为高效起见，Linux 调度程序将这个值缓存在变量 rb_leftmost 中，从而确定哪个任务运行只需检索缓存的值。