【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： ```c 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： ```c /* 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： ```c /* * 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： ```c 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。