（五）Linux进程调度-CFS调度器_学习笔记

一、学习笔记

说明：
Kernel版本：4.14

1. 概述
(1) Completely Fair Scheduler，完全公平调度器，用于Linux系统中普通进程的调度。
(2) 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。
(3) 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：

(1) 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；
(2) 运行时间runtime可以转换成虚拟运行时间vruntime；
(3) 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；
(4) 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；

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_struct，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
(1) struct rq：每个CPU都有一个对应的运行队列；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 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；
(5) 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：

(1) struct sched_entity结构体字段注释如下：

/* 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：

(1) 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；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 虚拟运行的时间 = 实际运行时间 * NICE_0_LOAD / 该任务的权重；

从上面计算公式可以看出，权重高的进程运行时间runtime更大，但是vruntime由于分子分母互相消除，权重高的进程的虚拟运行时间的增速却是一样的。

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：

/*权重只和进程的nice值有关*/
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,
};

从sched_prio_to_weight[]可知，nice值每减小1，权重增加约25%，一个调度周期中大约可以多获得25%的CPU时间。

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：

(1) 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；
(2) 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：

/*注册这些定时器中断*/
arch_timer_register(void) //drivers\clocksource\arm_arch_timer.c
    irqreturn_t timer_handler(const int access, struct clock_event_device *evt) //drivers\clocksource\arm_arch_timer.c
    evt->event_handler(evt);
        tick_device_uses_broadcast(struct clock_event_device *dev, int cpu) //kernel\time\tick-broadcast.c
            tick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev) //kernel\time\tick-common.c
                tick_periodic(int cpu) //kernel\time\tick-common.c
                        /*在定时器中断处理函数中调用，user_tick若是用户时间为1，若是系统时间为0*/
                        update_process_times(int user_tick) //kernel\time\timer.c
                            /*这个函数是在定时器的代码中被调用，调用周期为HZ，关着中断调用的*/
                            scheduler_tick(void) //kernel\sched\core.c

/*切换到高分辨率模式*/
hrtimer_switch_to_hres(void)
    tick_setup_sched_timer(void) //kernel\time\tick-sched.c
        tick_sched_timer(struct hrtimer *timer) //kernel\time\tick-sched.c
            tick_sched_handle(struct tick_sched *ts, struct pt_regs *regs) //kernel\time\tick-sched.c
                update_process_times(user_mode(regs));


tick_nohz_switch_to_nohz(void)
    /*nohz低分辨率中断处理函数*/
    tick_nohz_handler(struct clock_event_device *dev)
        tick_sched_handle(struct tick_sched *ts, struct pt_regs *regs) //kernel\time\tick-sched.c
            update_process_times(user_mode(regs));

3.3 任务出队入队

(1) 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；
(2) 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（移除后放在哪？）；
(3) 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。

(1) 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；
(2) 由于dequeue_task_fair大体的逻辑类似，不再深入分析；
(3) 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：

(1) 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；
(2) 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；
(3) 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时，则需要遍历任务组来选择下一个执行的任务了。
(4) 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；
(5) 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；
(6) 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；
(7) 调度类的优先级体现在 pick_next_task 函数中。

参考：
（五）Linux进程调度-CFS调度器

posted on 2021-01-28 00:54 Hello-World3 阅读(1045) 评论(0) 编辑收藏举报

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