【原创】（五）Linux进程调度-CFS调度器

背景

• read the fucking source code! --by 鲁迅
• a picture is worth a thousand words. --by 高尔基

说明：

1. kernel版本：4.14
2. arm64处理器，contex-a53，双核
3. 使用工具：source insight 3.5， visio

1. 概述

• completely fair scheduler，完全公平调度器，用于linux系统中普通进程的调度。
• cfs采用了红黑树算法来管理所有的调度实体sched_entity，算法效率为o(log(n))。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。
• 调度实体sched_entity通过enqueue_entity()和dequeue_entity()来进行红黑树的出队入队。

老规矩，先上张图片来直观了解一下原理：

• 每个sched_latency周期内，根据各个任务的权重值，可以计算出运行时间runtime；
• 运行时间runtime可以转换成虚拟运行时间vruntime；
• 根据虚拟运行时间的大小，插入到cfs红黑树中，虚拟运行时间少的调度实体放置到左边；
• 在下一次任务调度的时候，选择虚拟运行时间少的调度实体来运行；

在开始本文之前，建议先阅读下（一）linux进程调度器-基础。

开始探索之旅！

2. 数据结构

2.1 调度类

linux内核抽象了一个调度类struct sched_class，这是一种典型的面向对象的设计思想，将共性的特征抽象出来封装成类，在实例化各个调度器的时候，可以根据具体的调度算法来实现。这种方式做到了高内聚低耦合，同时又很容易扩展新的调度器。

• 在调度核心代码kernel/sched/core.c中，使用的方式是task->sched_class->xxx_func，其中task表示的是描述任务的结构体struct task_struck，在该结构体中包含了任务所使用的调度器，进而能找到对应的函数指针来完成调用执行，有点类似于c++中的多态机制。

2.2 rq/cfs_rq/task_struct/task_group/sched_entity

• struct rq：每个cpu都有一个对应的运行队列；
• struct cfs_rq：cfs运行队列，该结构中包含了struct rb_root_cached红黑树，用于链接调度实体struct sched_entity。rq运行队列中对应了一个cfs运行队列，此外，在task_group结构中也会为每个cpu再维护一个cfs运行队列；
• struct task_struct：任务的描述符，包含了进程的所有信息，该结构中的struct sched_entity，用于参与cfs的调度；
• struct task_group：组调度（参考前文），linux支持将任务分组来对cpu资源进行分配管理，该结构中为系统中的每个cpu都分配了struct sched_entity调度实体和struct cfs_rq运行队列，其中struct sched_entity用于参与cfs的调度；
• struct sched_entity：调度实体，这个也是cfs调度管理的对象了；

来一张图看看它们之间的组织关系：

• struct sched_entity结构体字段注释如下：

struct sched_entity {
    /* for load-balancing: */
    struct load_weight      load;                   //调度实体的负载权重值
    struct rb_node          run_node;             //用于连接到cfs运行队列的红黑树中的节点
    struct list_head        group_node;          //用于连接到cfs运行队列的cfs_tasks链表中的节点
    unsigned int            on_rq;              //用于表示是否在运行队列中

    u64             exec_start;             //当前调度实体的开始执行时间
    u64             sum_exec_runtime;   //调度实体执行的总时间
    u64             vruntime;           //虚拟运行时间，这个时间用于在cfs运行队列中排队
    u64             prev_sum_exec_runtime;  //上一个调度实体运行的总时间

    u64             nr_migrations;      //负载均衡

    struct sched_statistics     statistics;     //统计信息

#ifdef config_fair_group_sched
    int             depth;      //任务组的深度，其中根任务组的深度为0，逐级往下增加
    struct sched_entity     *parent;        //指向调度实体的父对象
    /* rq on which this entity is (to be) queued: */
    struct cfs_rq           *cfs_rq;        //指向调度实体归属的cfs队列，也就是需要入列的cfs队列
    /* rq "owned" by this entity/group: */
    struct cfs_rq           *my_q;      //指向归属于当前调度实体的cfs队列，用于包含子任务或子的任务组
#endif

#ifdef config_smp
    /*
     * per entity load average tracking.
     *
     * put into separate cache line so it does not
     * collide with read-mostly values above.
     */
    struct sched_avg        avg ____cacheline_aligned_in_smp;   //用于调度实体的负载计算（`pelt`）
#endif
};

• struct cfs_rq结构体的关键字段注释如下：

/* cfs-related fields in a runqueue */
struct cfs_rq {
    struct load_weight load;        //cfs运行队列的负载权重值
    unsigned int nr_running, h_nr_running;  //nr_running：运行的调度实体数（参与时间片计算）

    u64 exec_clock;     //运行时间
    u64 min_vruntime;   //最少的虚拟运行时间，调度实体入队出队时需要进行增减处理
#ifndef config_64bit
    u64 min_vruntime_copy;
#endif

    struct rb_root_cached tasks_timeline;   //红黑树，用于存放调度实体

    /*
     * 'curr' points to currently running entity on this cfs_rq.
     * it is set to null otherwise (i.e when none are currently running).
     */
    struct sched_entity *curr, *next, *last, *skip; //分别指向当前运行的调度实体、下一个调度的调度实体、cfs运行队列中排最后的调度实体、跳过运行的调度实体

#ifdef  config_sched_debug
    unsigned int nr_spread_over;
#endif

#ifdef config_smp
    /*
     * cfs load tracking
     */
    struct sched_avg avg;       //计算负载相关
    u64 runnable_load_sum;
    unsigned long runnable_load_avg;        //基于pelt的可运行平均负载
#ifdef config_fair_group_sched
    unsigned long tg_load_avg_contrib;      //任务组的负载贡献
    unsigned long propagate_avg;
#endif
    atomic_long_t removed_load_avg, removed_util_avg;
#ifndef config_64bit
    u64 load_last_update_time_copy;
#endif

#ifdef config_fair_group_sched
    /*
     *   h_load = weight * f(tg)
     *
     * where f(tg) is the recursive weight fraction assigned to
     * this group.
     */
    unsigned long h_load;
    u64 last_h_load_update;
    struct sched_entity *h_load_next;
#endif /* config_fair_group_sched */
#endif /* config_smp */

#ifdef config_fair_group_sched
    struct rq *rq;  /* cpu runqueue to which this cfs_rq is attached */     //指向cfs运行队列所属的cpu rq运行队列

    /*
     * leaf cfs_rqs are those that hold tasks (lowest schedulable entity in
     * a hierarchy). non-leaf lrqs hold other higher schedulable entities
     * (like users, containers etc.)
     *
     * leaf_cfs_rq_list ties together list of leaf cfs_rq's in a cpu. this
     * list is used during load balance.
     */
    int on_list;
    struct list_head leaf_cfs_rq_list;
    struct task_group *tg;  /* group that "owns" this runqueue */       //cfs运行队列所属的任务组

#ifdef config_cfs_bandwidth
    int runtime_enabled;    //cfs运行队列中使用cfs带宽控制
    u64 runtime_expires;    //到期的运行时间
    s64 runtime_remaining;      //剩余的运行时间

    u64 throttled_clock, throttled_clock_task;  //限流时间相关
    u64 throttled_clock_task_time;
    int throttled, throttle_count;      //throttled：限流，throttle_count：cfs运行队列限流次数
    struct list_head throttled_list;    //运行队列限流链表节点，用于添加到cfs_bandwidth结构中的cfttle_cfs_rq链表中
#endif /* config_cfs_bandwidth */
#endif /* config_fair_group_sched */
};

3. 流程分析

整个流程分析，围绕着cfs调度类实体：fair_sched_class中的关键函数来展开。

先来看看fair_sched_class都包含了哪些函数：

/*
 * all the scheduling class methods:
 */
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,

#ifdef config_smp
    .select_task_rq     = select_task_rq_fair,
    .migrate_task_rq    = migrate_task_rq_fair,

    .rq_online      = rq_online_fair,
    .rq_offline     = rq_offline_fair,

    .task_dead      = task_dead_fair,
    .set_cpus_allowed   = set_cpus_allowed_common,
#endif

    .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,

#ifdef config_fair_group_sched
    .task_change_group  = task_change_group_fair,
#endif
};

3.1 runtime与vruntime

cfs调度器没有时间片的概念了，而是根据实际的运行时间和虚拟运行时间来对任务进行排序，从而选择调度。
那么，运行时间和虚拟运行时间是怎么计算的呢？看一下流程调用：

• linux内核默认的sysctl_sched_latency是6ms，这个值用户态可设。sched_period用于保证可运行任务都能至少运行一次的时间间隔；
• 当可运行任务大于8个的时候，sched_period的计算则需要根据任务个数乘以最小调度颗粒值，这个值系统默认为0.75ms；
• 每个任务的运行时间计算，是用sched_period值，去乘以该任务在整个cfs运行队列中的权重占比；
• 虚拟运行的时间 = 实际运行时间 * nice_0_load / 该任务的权重；

还是来看一个实例吧，以5个task为例，其中每个task的nice值不一样（优先级不同），对应到的权重值在内核中提供了一个转换数组：

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,
};

图来了：

3.2 cfs调度tick

cfs调度器中的tick函数为task_tick_fair，系统中每个调度tick都会调用到，此外如果使用了hrtimer，也会调用到这个函数。
流程如下：

主要的工作包括：

• 更新运行时的各类统计信息，比如vruntime， 运行时间、负载值、权重值等；
• 检查是否需要抢占，主要是比较运行时间是否耗尽，以及vruntime的差值是否大于运行时间等；

来一张图，感受一下update_curr函数的相关信息更新吧：

3.3 任务出队入队

• 当任务进入可运行状态时，需要将调度实体放入到红黑树中，完成入队操作；
• 当任务退出可运行状态时，需要将调度实体从红黑树中移除，完成出队操作；
• cfs调度器，使用enqueue_task_fair函数将任务入队到cfs队列，使用dequeue_task_fair函数将任务从cfs队列中出队操作。

• 出队与入队的操作中，核心的逻辑可以分成两部分：1）更新运行时的数据，比如负载、权重、组调度的占比等等；2）将sched_entity插入红黑树，或者从红黑树移除；
• 由于dequeue_task_fair大体的逻辑类似，不再深入分析；
• 这个过程中，涉及到了cpu负载计算、task_group组调度、cfs bandwidth带宽控制等，这些都在前边的文章中分析过，可以结合进行理解；

3.3 任务创建

在父进程通过fork创建子进程的时候，task_fork_fair函数会被调用，这个函数的传入参数是子进程的task_struct。该函数的主要作用，就是确定子任务的vruntime，因此也能确定子任务的调度实体在红黑树rb中的位置。

task_fork_fair本身比较简单，流程如下图：

3.4 任务选择

每当进程任务切换的时候，也就是schedule函数执行时，调度器都需要选择下一个将要执行的任务。
在cfs调度器中，是通过pick_next_task_fair函数完成的，流程如下：

• 当需要进程任务切换的时候，pick_next_task_fair函数的传入参数中包含了需要被切换出去的任务，也就是pre_task；
• 当pre_task不是普通进程时，也就是调度类不是cfs，那么它就不使用sched_entity的调度实体来参与调度，因此会执行simple分支，通过put_pre_task函数来通知系统当前的任务需要被切换，而不是通过put_prev_entity函数来完成；
• 当pre_task是普通进程时，调用pick_next_entity来选择下一个执行的任务，这个选择过程实际是有两种情况：当调度实体对应task时，do while()遍历一次，当调度实体对应task_group是，则需要遍历任务组来选择下一个执行的任务了。
• put_prev_entity，用于切换任务前的准备工作，更新运行时的统计数据，并不进行dequeue的操作，其中需要将cfs队列的curr指针置位成null；
• set_next_entity，用于设置下一个要运行的调度实体，设置cfs队列的curr指针；
• 如果使能了hrtimer，则将hrtimer的到期时间设置为调度实体的剩余运行时间；

暂且分析到这吧，cfs调度器涵盖的内容还是挺多的，fair.c一个文件就有将近一万行代码，相关内容的分析也分散在前边的文章中了，感兴趣的可以去看看。

打完收工，洗洗睡了。