Linux线程调度的奥秘
Linux线程调度是操作系统中非常重要的一部分，它负责根据各种策略和算法将CPU资源分配给不同的线程。线程是程序执行的最小单位，一个进程可以包含多个线程，线程之间共享相同的地址空间和资源。
1. 线程调度基础概念
在讨论Linux线程调度的奥秘之前，我们先来了解一些基础的概念。
1.1 时间片（Time Slice）
时间片是指操作系统分给每个线程的CPU执行时间段。当一个线程的时间片耗尽时，操作系统会将CPU资源切换给其他线程。时间片的长度可以根据系统的调整策略进行调整。
1.2 调度器（Scheduler）
调度器是线程调度的核心组件，它根据一定的策略和算法，决定将CPU资源分配给哪个线程。Linux操作系统中主要有两种调度器：CFS（Completely Fair Scheduler）和实时调度器。CFS调度器是默认的调度器，它采用红黑树的数据结构来维护线程队列，保证公平地分配CPU资源。实时调度器则基于优先级和实时性的要求，分别为线程分配时间片。
2. CFS调度器
CFS调度器是Linux操作系统中默认的调度器，它的核心思想是公平分配CPU资源。CFS通过维护一棵红黑树来管理线程队列，其中红黑树的节点表示线程，节点的关键字表示线程的虚拟运行时间。
2.1 虚拟运行时间（Virtual Runtime）
虚拟运行时间是CFS调度器中的一个重要概念，它用于衡量一个线程被分配到的CPU资源。虚拟运行时间越长的线程，表示它在过去的时间段内获得了更多的CPU时间，因此在下一个时间片的分配中将获得较少的优先级。
2.2 完全公平调度算法
CFS调度器采用完全公平调度算法，即每个线程的虚拟运行时间与其他线程的比例是相等的。当一个线程的虚拟运行时间达到一定值时，调度器会重新计算该线程的虚拟运行时间，并对红黑树进行重新调整，以保持调度的公平性。
void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq, struct sched_entity *curr)
{
u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
u64 delta_exec;
delta_exec = now - curr->exec_start;
// Update virtual runtime
curr->vruntime += delta_exec * curr->weight / cfs_rq->load.weight;
curr->exec_start = now;
}
在上述代码中，当一个线程执行完一段时间后，调度器会调用update_curr函数更新该线程的虚拟运行时间。delta_exec表示两次更新之间的时间差，根据线程权重和队列权重的比例来更新虚拟运行时间。这样可以保证各个线程在下一个时间片中获得公平的CPU时间。
3. 实时调度器
除了CFS调度器，Linux操作系统还提供了实时调度器用于满足对实时性要求较高的线程。实时调度器主要有两种类型：FIFO（First In First Out）和RR（Round Robin）。
3.1 FIFO调度算法
FIFO调度算法按照线程的优先级进行调度，优先级越高的线程会被先执行。FIFO调度器采用非抢占式调度，意味着一旦一个线程开始执行，它将一直执行直到自己主动放弃CPU资源。
int sched_setscheduler(pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param);在Linux中，我们可以使用sched_setscheduler函数设置线程的调度策略和参数，其中policy可以是SCHED_FIFO、SCHED_RR或SCHED_OTHER。SCHED_FIFO表示FIFO调度策略，SCHED_RR表示RR调度策略，SCHED_OTHER表示默认策略。
3.2 RR调度算法
RR调度算法和FIFO调度算法类似，区别在于RR调度器采用了抢占式调度。每个线程被分配一个固定的时间片，当时间片耗尽时，该线程会被挂起，并将CPU资源分给优先级较高的线程。
struct sched_param {
int sched_priority;
};
使用sched_setscheduler函数时，可以通过sched_param结构体设置线程的优先级，优先级值越高的线程被调度的机会越大。
总结
Linux线程调度是操作系统中非常重要的一部分，它决定了每个线程获得CPU资源的顺序和时间。CFS调度器通过虚拟运行时间和红黑树来保证公平调度，而实时调度器则根据线程的优先级和调度策略来分配CPU资源。熟悉线程调度的原理和算法可以帮助我们更好地优化程序的性能。