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。
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进程调度器的实现，完全公平调度器 CFS
Linux内核 进程管理，调度器的5种实现
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；
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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 */};
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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};
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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,};
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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。
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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：
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。
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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));
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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。
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