1. 什么是Linux公平调度？
Linux公平调度是一种操作系统调度算法，旨在实现对系统中运行的任务进行公平的分配和调度。它确保每个任务都能够得到合理的使用CPU资源的机会，而不会被其他任务长时间地阻塞。公平调度还可以提高系统的响应性和整体性能。
2. 公平调度的原理和目标
2.1 公平调度的原理
Linux公平调度采用了一种追踪运行时任务的虚拟运行时间（VRuntime）的方法来衡量任务的优先级。每个任务都有一个VRuntime值，该值随时间推移而递增，并根据优先级和任务类型进行调整。调度器根据任务的VRuntime值来决定下一个被选中的任务。
2.2 公平调度的目标
Linux公平调度的目标是保证不同的任务获得相等的CPU时间，并处理各种不同类型的工作负载，如交互式任务和IO密集型任务。
具体来说，公平调度的目标包括：
避免长时间运行的任务占用太多的CPU时间
保证交互式任务的响应性
提高系统整体的吞吐量
3. CFS调度器
3.1 CFS调度器的特点
CFS（Completely Fair Scheduler）是Linux公平调度的默认调度器。它使用红黑树数据结构来维护任务的优先级，并在树上进行快速查找和调整。CFS提供了很好的公平性，并通过控制任务的VRuntime来进行调整。
CFS调度器的主要特点包括：
完全公平：CFS尽力保证每个任务获得相等的CPU时间，以实现公平的调度。
任务优先级：CFS使用动态优先级机制，根据任务的VRuntime来调整任务的优先级。
无绝对时间限制：CFS不依赖于任何绝对的时间限制，而是依靠VRuntime来计算任务的优先级。
3.2 CFS调度器的工作原理
CFS调度器的主要工作原理是通过控制每个任务的VRuntime来实现公平调度。它使用一个红黑树来维护正在运行和等待运行的任务集合，调度器会选择VRuntime最小的任务来执行。
当一个任务被选中执行时，调度器会更新该任务的VRuntime值，同时根据任务的类型进行进一步的调整。例如，对于交互式任务，调度器会增加其VRuntime值，以提高其下一次被选中的概率。
4. 公平调度的实现
4.1 接口和数据结构
Linux公平调度的实现主要涉及以下几个接口和数据结构：
task_struct：每个任务在内核中都有一个对应的task_struct结构，其中包含了与任务相关的信息，如优先级、VRuntime等。
sched_entity：每个task_struct结构都有一个对应的sched_entity结构，其中保存了与调度相关的信息，如VRuntime、优先级等。
sched_class：定义了调度器的接口和逻辑，包括任务调度的函数和数据结构。
4.2 公平调度的关键算法
Linux公平调度的关键算法包括：
VRuntime的更新：调度器会根据任务的运行时间和优先级来更新任务的VRuntime值。
任务选择：调度器会选择VRuntime最小的任务来执行。
优先级计算：调度器根据任务的VRuntime和优先级参数来计算任务的实际优先级。
5. 公平调度的优化和改进
5.1 温度参数
温度参数是公平调度中的一个重要概念，用于控制任务的优先级调整速度。较低的温度值会导致任务的优先级较快地增加，而较高的温度值会导致任务的优先级变化较慢。
#define TEMPERATURE_WINDOW 20
static u64 prio_to_wmult[40] = {
88761, 71755, 56483, 46273, 36291, 29154, 23254, 18705, 14949, 11916,
9548, 7620, 6100, 4904, 3906, 3121, 2501, 1991, 1586, 1277,
1024, 820, 655, 526, 423, 335, 272, 215, 172, 137,
110, 87, 70, 56, 45, 36, 29, 23, 18, 15
};
static inline u64 __sched_vruntime(u64 delta_exec, struct sched_entity *se)
{
u64 weight = prio_to_wmult[se->prop->prio - 120];
u64 vr = delta_exec << se->prop->mult;
vr /= weight;
return vr;
}
在这段代码中，温度参数通过prio_to_wmult数组来定义，根据任务的优先级来选择相应的参数。调度器根据任务的运行时间和权重来计算VRuntime，从而影响任务的优先级调整速度。
5.2 基于CFS的调度算法改进
公平调度算法一直在不断地改进。例如，Linux 2.6版本中的CFS调度器就引入了很多新的特性，如实时调度、负载均衡、组调度等。这些改进使得CFS调度器更加健壮和灵活，能够适应各种不同的工作负载。
此外，调度器还可以通过调整参数来优化公平调度的性能。例如，可以通过调整调度器的频率、优先级权重等参数来达到最佳的性能和公平性。
6. 总结
Linux公平调度是一种重要的操作系统调度算法，通过保障任务之间的公平性，实现对CPU资源的公平分配和调度。CFS调度器作为公平调度的核心，使用VRuntime来衡量任务的优先级，提供了完全的公平性和可调度性。公平调度算法不断演进和改进，以适应不同类型任务和工作负载的需求。
通过使用温度参数、改进调度算法等手段，公平调度可以在提供公平性的同时，确保系统的性能和响应性。这使得Linux成为了广泛使用的操作系统之一，并在众多领域取得了成功。