选对调度器，让你的设备“纵享丝滑”

随着移动设备的普及，用户对设备的操作体验有了越来越高的要求。能够实现一些硬性操作已经是最基本的条件了，是否可以提供更流畅的操作体验、更让人舒适的交互方式等，逐渐变成了设备之间“攀比”的方式，想要满足这些需求，首先需要明确一个合适、高效的 CPU 调度，再去优化能耗。

为了保证系统的性能和响应时间，在不同的场景下，如何实现多任务的并发执行、怎样选择不同的调度算法和策略呢？

01 ESA 调度器缘起

Linux 内核一直使用完全公平调度器 CFS ( Completely Fair Scheduler )作为默认调度器，其使用的 PELT ( per entity load tracking )跟踪任务负载，更适合 CPU 高吞吐量场景，而对于现在流行的手机或者消费电子等对功耗敏感的设备，则存在明显的局限性，比如：

• CFS 主要是为了服务器性能优先场景而设计的，主要目标是最大限度地提高系统的吞吐量，CFS 调度的目标是所有任务都平均分配到系统所有可用的 CPU 上。

• CFS 主要针对 SMP 系统，对于非 SMP 系统支持不足，比如说 arm.big.little 架构以及 intel PE 核架构。

• 没有充分利用各个核的功耗、性能、频率差异来达到性能和功耗的最优平衡。

EAS 由来

那如何解决 CFS 调度器的局限性问题呢？

ARM 和 Linaro 改变了 CFS 的调度策略、调度器、CPUidle 和 CPUFreq 模块的相对独立的情况，让它们可以在一起紧密地工作，从而进一步优化功耗和效率，后来我们把这个改变叫作 Energy Aware Scheduling ，简称 EAS 。

EAS 的能力

EAS 调度器的设计目标是在保证系统性能的前提下尽可能地降低功能。

Linux 内核主要分为三个核心部分：Linux 调度程序（ CFS ）、Linux cpuidle 、Linux cpufreq。

它们相互独立，并有其独特的核心功能：

• CFS 可以统一这 3 个模块的各个部分，并将它们一起计算来使它们尽可能高效；

• CPUIdle 尝试决定 CPU 何时进入空闲模式；

• CPUFreq 决定何时加速或降低 CPU。

而 EAS 引入了使用能量模型来将以上三个独立的部分统一，最大效率地节省功耗提高性能。

不仅如此，EAS 还将进程/程序/应用分为四个 cgroup，即 top-app, system-background, foreground, and background，将要处理的任务放入其中一个类别中，然后为该类别提供 CPU power ，并将工作委派给不同的 CPU 核心。

Top-app 是完成的最高优先级，其次是 forground， background 和 system-background gorup。Backgound group 与 system-background group 具有相同的优先级，但 system-background group 通常也可以访问更多的核心。

实际上， EAS 正在将 Linux 内核的核心部分整合到一个进程中。

02 EAS 如何运作

当我们唤醒设备时， EAS 将选择处于最浅空闲状态的核心，从而最大限度地减少唤醒设备所需的能量；如果不需要，它不会唤醒 big cluster ，这有助于降低使用设备所需的功率。

为了实现这一动作，我们必须设置用来表现 CPU 当前的 loading 情况的负载跟踪。文章开头我们提到了 PELT 的负载跟踪算法无法调节 CPU 运行功率，换言之，不论 CPU 负载的高低， PELT 始终保持着 100% 持续运行，这在很大程度上拖延降低 CPU 频率的速度，从而增加 CPU 功耗。

那将降低设备所需功率作为主旨的 EAS 要使用哪种负载跟踪算法呢？

EAS 为何选择 WALT 算法？

WALT ( Windows-Assist Load Tracing ) 将一小段时间内的 CPU loading 情况计算出对应的结果，作为一个 window ；然后再统计多个类似的 window 。将它们进行计算后即可得到 task demand 结果，并将其运用于 CPU 频率调节和负载均衡。

因此，在与用户交互时它可以尽快响应，并及时反应负载的增加和减少以驱动频点及时变化，对于突变性质的负载反应友好，不论是负载的上升或者下降，都可以及时进行调节，也经常用于移动设备对性能功耗要求比较高的场景

WALT 如何处理

那 WALT 到底能实现什么效果呢？

• 保持对于所有 Task-entity 的跟踪 ；

• 在此前 usage（load）的基础上，添加对于 demand 的记录，用于之后预测；

• 每个 CPU 上 runqueue 的整体负载仍为所有 Task 统计的 sum；

当然，除了以上这些功能之外，WALT 能实现这些效果还是依托于其独特的核心结构体和计算差异：

struct ravg {u64 mark_start;u32 demand;u32 sum_history[RAVG_HIST_SIZE_MAX];};

• mark_start 代表了任务的当前采样点起始时间；

• demand 是预测的 task demand ；

• sum_history [] 是任务在最近 5 个窗口中分别运行的时间。

通过以上的计算，WALT 就可以清晰得知每个 window 的功率，从而了解各个核的功耗、性能、频率差异来达到性能和功耗的最优平衡。

03“横向出发”搭建数据体系

但是 WALT 也不是十全十美的。

使用 WALT 时我们可以发现，在当前任务监测工具 top、ps 都只能看到任务的 cpu 占用率，而小核的 100% CPU 占用率和大核的 100% CPU 占用率完全不是一个量级，因此我们并无法得知当前 CPU 在多少频率下的占用率！

但无论是为了更好的系统性能优化、故障排除还是为了更优的资源管理和系统监控，都离不开对 CPU 的实际频率和占用率的分析。尤其在数字化大力发展的今天，互联网行业“硝烟四起”，抛开技术不谈，拥有更准确的信息和数据，就代表着可以快人一步、给用户带来更流畅的操作感。

而鼎道专注于开发“以人为本”的操作系统的历程中，我们将为用户提供更便捷、安全、绿色的操作体验作为一个目标，因此，我们直面了 WALT 现有的局限性，并想方设法将其优化，开发了归一化负载查询功能，可以为开发者提供更清晰的 CPU 占用率数据！这里也为大家埋一个伏笔，之后我们会单独开辟一个专题，来和大家共同探讨此类问题！也欢迎大家加入鼎道生态，发表你的想法或见解~