linux cfs调度器_理论模型
参考资料：《调度器笔记》Kevin.Liu
《Linux kernel development》
《深入Linux内核架构》
version: 2.6.32.9
下文中对于红黑树或链表组织的就绪队列，统称为用队列组织的就绪队列。
linux中用struct rq将处于ready状态的进程组织在一起。
struct rq结构体包含cfs和rt成员，分别表示两个就绪队列：cfs就绪队列用于组织就绪的普通进程(这个队列上的进程用完全公平调度器进行调度);rt就绪队列用于组织就绪的实时进程(该队列上的进程用实时调度器调度)。
在多核cpu系统中，每个cpu对应一个struct rq结构体实例。
核心调度器分为：
1、周期性调度器 schedule_tick();
周期性调度器不负责进程的切换，只是定时更新调度相关的统计信息，以备主调度器使用。
2、主调度器 schedule()；
主调度器的工作是完成进程的切换,将CPU的使用权从一个进程切换到另一个进程。
调度器类：
linux内核把用于处理普通进程调度的函数用struct sched_class结构体实例fair_sched_class组织起来；
把用于处理实时进程调度的函数用struct sched_class结构体实例rt_sched_class组织起来；
把用于处理idle进程调度的函数用struct sched_class结构体实例idle_sched_class组织起来。
linux中如何决定就绪进程在就绪队列中先后顺序的模型建立衍化过程：
A. runtime公平模型
CPU的总时间按就绪进程数目等分给每个进程，每个进程在就绪队列中的先后顺序由它已享用的(runtime)决定，已享用CPU时间短的进程排在队列的最前面，反之排在队列的后面,调度器每次都选则队列的最前面的进程运行。
漏洞：原有A、B、C三个进程在服务器上运行的runtime各自都等于1年，这时进程D被创建，那么接下来的一年内，只进程D在运行，其它进程如同dead一样……
B. min_runtime公平模型
假设系统中有A、B、C三个进程，其已运行时间为：
---------------------|--------|----------|--------- 进程 | A | B | C ---------------------|--------|----------|--------- runtime(ms) | 100 | 150 | 200 ---------------------|--------|----------|---------
什么是“公平”？？？
操作系统应该在“当前”，将时间公平分配给“当前”系统中的每个进程，“当前”意味着：
a)进程A、B、C在系统中经历了100 + 150 + 200 = 450ms，它们应公平享用这段时间，即每个进程应当执行150ms。
b)D进程被创建了，那么从现在起操作系统应该将CPU时间公平分配给这四个进程(从进程创建之时起，它就应该受到“不计其它进程的历史”的待遇，调度器对所有此后运行的进程一视同仁)。
如果将新建进程D的runtime设置为A、B、C中runtime最大的值显然对进程D不公，如果设置为它们中的最小值，那又对进程A不公。我们将进程D的runtime设置为A、B、C中最小的那个值，这就是在runtime公平模型上改进之后得到的min_runtime公平模型。
C. weight优先级模型
不同进程具有不同的重要性，重要的进程尽量被分配多的CPU时间，不重要的进程应该分配少的CPU时间。
为了达到这个目的，我们引入一个权重(weight)参数，即每个进程有一个权重值，进程得到的CPU时间和这个权重值成正比。
假设进程A、B的权重分别是1，2，这就意味着：A进程执行了Nms后以及B进程执行2Nms后它们应当具有相同的先后顺序，即它们的runtime值基本相同。由于runtime表示进程已经运行的时间，显然和上述表述矛盾，因此我们引入另一个参数vruntime(虚拟运行时间)代替它(vruntime仅仅是一个数值，用来作为对进程进行排序的参考，不用来反映进程真实执行时间).
每个进程有一个vruntime值，调度器总是选择vruntime值最小的进程使用CPU资源，并且vruntime增长的速度和weight值成反比.
设单核处理器上有新建的A、B两个进程：
a) 初始的时候两个进程都没有运行，runtime都等于0
-----------------|-------------|----------- 进程 | A | B -----------------|-------------|----------- weight | 1 | 2 -----------------|-------------|----------- runtime(ms) | 0 | 0 -----------------|-------------|----------- vruntime | 0 | 0 -----------------|-------------|----------- 按vruntime进行排序 | A B -------------------------------|-----------
b) 调度器选择A，它运行了4ms：
----------------|----------|----------- 进程 | A | B ----------------|----------|----------- weight | 1 | 2 ----------------|----------|----------- runtime(ms) | 4 | 0 ----------------|----------|----------- vruntime | 4 | 0 ----------------|----------|----------- 按vruntime进行排序 | B A ---------------------------|-----------
c) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：
-----------------|----------|----------- 进程 | A | B -----------------|----------|----------- weight | 1 | 2 -----------------|----------|----------- runtime(ms) | 4 | 4 -----------------|----------|----------- vruntime | 4 | 2 -----------------|----------|----------- 按vruntime进行排序 | B A ----------------------------|-----------
d) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：
----------------|----------|----------- 进程 | A | B ----------------|----------|----------- weight | 1 | 2 ----------------|----------|----------- runtime(ms) | 4 | 8 ----------------|----------|----------- vruntime | 4 | 4 ----------------|----------|----------- 按vruntime进行排序 | A B ---------------------------|-----------
e) vruntime相同，但是A在前，选择A运行，运行了4ms:
---------------|---------|----------- 进程 | A | B
---------------|---------|----------- weight | 1 | 2
---------------|---------|----------- runtime(ms) | 8 | 8 ---------------|---------|----------- vruntime | 8 | 4 ---------------|---------|----------- 按vruntime进行排序 | B A -------------------------|-----------
f) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：
----------------|---------|----------- 进程 | A | B ----------------|---------|---------- weight | 1 | 2 ----------------|---------|----------- runtime(ms) | 8 | 12 ----------------|---------|----------- vruntime | 8 | 6 ----------------|---------|----------- 按vruntime进行排序 | B A --------------------------|-----------
D、period模型
早期调度器使用了时间片模型，例如每当4ms后（或着进程还未执行完4ms，就有特殊情况产生了，比如进程要睡眠），主调度器
schedule就会重新选择一个vruntime值最小的进程来执行。
但是现在我们不用时间片的概念了，那么主调度器schedule应该在什么时候启动并选择一个新的进程执行呢？？？
引入period参数
系统设定一个period值(它表示一段时间)，每个进程对应一个ideal_runtime值（称为理想欲运行时间），每个进程的ideal_runtime值的设定方式：所有可运行进程的ideal_runtime值的和等于period，每个进程的ideal_runtime值的大小与它的权重weight成正比。
该模型规定：每个进程每次获得CPU使用权，最多执行它对应的ideal_runtime这样长的时间。
注意：CPU并没有把时间分成长度为period的时间段，系统仅仅限定了每个进程每次执行时间不能超过它对应的ideal_time指定的时间长度。
如果period=20ms，当前系统中只有A、B、C、D四个进程，它们的weight分别为:1、2、3、4。那么A的ideal_runtime = 2ms,B,C,D的ideal_runtime依次为4ms,6ms, 8ms。
a) 初始情况如下：
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 0 | 0 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 0 | 0 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | A B C D --------------------|--------------------------------------------
b) 和前一个模型一样，vruntime的行走速度和权重值成反比，设定权重权为1的A进程的vruntime和实际runtime行走速度相同。A先执行，它执行了2ms，此时：
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 2 | 0 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 2 | 0 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | B C D A --------------------|--------------------------------------------
c) B的vruntime值最小,选择B运行，假设B运行了3ms：
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 2 | 3 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 2 | 1.5 | 0 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | C D B A --------------------|--------------------------------------------
d) C的vruntime值最小，选择C运行，假设C运行了3ms：
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 2 | 3 | 3 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 2 | 1.5 | 1 | 0 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | D C B A --------------------|--------------------------------------------
e) D的vruntime值最小，选择D运行，假设D运行了8ms:
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 2 | 3 | 3 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 2 | 1.5 | 1 | 2 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | C B A D --------------------|--------------------------------------------
f) 进程D运行的时间等于它的ideal_runtime，调度器被激活，重新选择一个进程运行，接着C进程被选中执行。
关键在于： C可以运行多长时间？？？
根据ideal_runtime的定义，它只是要求，每个进程每次占用CPU的资源不超过它对应的ideal_runtime，上次进程C被调度的时候它只执行了3ms，没有超过它的ideal_runtime(6ms);但是，这次它又可以获得CPU的使用权了，是新的一次调度了，与之前无关。因此，进程C最多可以运行6ms，那么接下来进程C可以连续运行6ms:
--------------------|-----------|----------|----------|---------- 进程 | A | B | C | D --------------------|-----------|----------|----------|---------- weight | 1 | 2 | 3 | 4 --------------------|-----------|----------|----------|---------- ideal_runtime(ms) | 2 | 4 | 6 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- runtime(ms) | 2 | 3 | 9 | 8 --------------------|-----------|----------|----------|---------- vruntime | 2 | 1.5 | 3 | 2 --------------------|-----------|----------|----------|---------- 按vruntime进行排序 | B A D C
--------------------|--------------------------------------------
不要错误地认为：系统将CPU时间划分成一段一段的，每片长度为period，并且将它们按权重分配给每个进程，并且规定它们在该period内最多执行ideal_runtime限定的时间，进入下一个period时间段后，系统又重新为各个进程分配ideal_runtime; 因为CPU并没有把时间分成长度为period的时间段，系统仅仅限定了每个进程每次执行时不能超过它对应的ideal_time指定的时间长度。
该机制的作用是：每个进程在就绪队列中等地的时间不会超过period,因为每个进程获得CPU使用权后，如果它执行的时间等于它的ideal_runtime，那么它的vruntime基本上就比其它所有进程的vruntime值高了，自然会排到队列的后面。
上述基于weight优先级模型和period模型的调度器所实现的效果, 每个进程每次调度运行的时间不在受4ms(例如)的限制了，而是可以运行“任意”长时间:
a) 每个进程每次获得CPU使用权最多可以执行与它对应的ideal_runtime那么长的时间。
b) 如果每个进程每次获得CPU使用权时它都执行了它对应的ideal_runtime那么长的时间，整个就绪队列的顺序保持不变。
c) 如果某个进程某几次获得CPU使用权时运行的时间小于它ideal_time指定的时间（即它被调度时没有享用完它可以享用的最大
时间），按照vruntime进行排序的机制会使得它尽量排在队列的前面，让它尽快把没有享用完的CPU时间弥补起来。
period抽象模型基本上就是对内核cfs调度机制的一个抽象（没有考虑睡眠，抢占等细节）：
a) 每个进程有一个权重值(weight),值越大，表示该进程越优先。
b) 每个进程还对应一个vruntime(虚拟时间)，它是根据进程实际运行的时间runtime计算出来的。vruntime值不能反映进程执行的真实时间，只是用来作为系统判断接下来应该选择哪个进程使用CPU的依据————调度器总是选择vruntime值最小的进程执行。
c) vruntime行走的速度和进程的weight成反比。
d) 为了保证在某段时间(period)内每个进程至少能执行一次，操作系统引入了ideal_runtime的概念，规定每次获得CPU使用权时，执行时间不能超过它对应的ideal_runtime值。达到该值就会激活调度器，让调度器再选择一个vruntime值最小的进程执行。
e) 每个进程的ideal_runtime长度与它的weight成正比，如果有N个进程，那么：
task[i]->weight
task[i]->ideal_time = -------------------- * period
sum_weight(task, N)
