Linux内核调度器：提升效率的利器

1. Linux内核调度器介绍

Linux内核调度器是操作系统中一个非常重要的组件，它负责决定哪个进程在何时执行。调度器的主要目标是提高系统的效率和吞吐量，确保资源的合理利用和公平分配。在多核系统中，调度器还负责将进程合理地分配到不同的核心上，以充分利用系统的计算能力。

1.1 调度器的工作原理

Linux内核调度器根据一系列策略来选择下一个要执行的进程。其中最常用的策略是时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）和优先级调度。

struct task_struct {

    // 进程的优先级
    int static_prio;
    // 时间片
    int time_slice;
    // ...
};
void schedule() {
    struct task_struct *next_task = pick_next_task();
    switch_to(next_task);
}

上述代码简要展示了调度器的核心工作流程。调度器首先会从就绪队列中选择下一个要执行的进程（pick_next_task()函数），然后通过调用switch_to()函数切换到该进程的上下文。

1.2 CFS调度器

Linux内核中最流行的调度器是完全公平调度（Completely Fair Scheduler，CFS）。CFS调度器以时间片轮转调度为基础，但引入了一种更加公平的调度机制。

struct sched_entity {

    // ...
    // 该进程已经运行的虚拟时间
    u64 vruntime;
    // 该进程的调度实体在红黑树上的位置
    struct rb_node run_node;
    // 该进程的子进程队列
    struct list_head children;
    // ...
};
void enqueue_task(struct rq *rq, struct task_struct *p) {
    unsigned long delta_exec;
    struct sched_entity *se = &p->se;
    // 公平进程运行时间的计算
    delta_exec = account_cfs_rq_runtime(rq, p);
    // 调度实体插入红黑树
    p->on_rq = 1;
    rb_link_node(&se->run_node, rq-> cfs. tasks_timeline.rb_root, 
        rb_last_explicit(&se->run_node, __run_node_cmp), &se->run_node);
    rb_insert_color(&se->run_node, rq-> cfs. tasks_timeline.rb_root);
}

CFS调度器通过红黑树来保存调度实体（sched_entity），它包含了进程的运行状态、优先级以及已经运行的虚拟时间。调度器根据进程的优先级和运行时间来确定下一个要执行的进程。

2. CFS调度器的优点

相比于传统的时间片轮转调度，CFS调度器具有以下几个明显的优点：

2.1 更好的响应能力

传统的时间片轮转调度可能会出现某些进程长时间占用CPU，导致其他进程无法及时响应。而CFS调度器通过公平调度机制，可以使每个进程获得公平的运行时间，提高了系统的响应能力。

2.2 更好的系统负载均衡

CFS调度器具有更好的负载均衡能力，它可以根据进程的优先级和运行时间，将进程动态地分配到不同的核心上。这使得系统的计算能力得到了充分利用，提高了系统的整体性能。

3. 多核调度的挑战

在多核系统中，调度器需要面对更多的挑战。一个最主要的挑战是如何合理地将进程分配到不同的核心上，以充分利用系统的计算资源。

为了解决这个问题，CFS调度器引入了一种负载平衡机制。它通过定期检查各个核心上的调度实体数量，将负载较重的核心上的进程迁移到负载较轻的核心上。

struct load_balance_data {

    // ...
    // 红黑树根节点
    struct rb_root tasks_root;
    // ...
};
static inline
struct task_struct *load_balance(struct rq *this_rq, int this_cpu);
{
    struct rq *busiest_rq, *idle_rq, *src_rq;
    struct task_struct *p;
    busiest_rq = find_busiest_queue(this_rq, &src_rq);
    idle_rq = find_idlest_queue(this_rq);
    spin_unlock(&src_rq->lock);
    p = pick_next_task(busiest_rq, prev_task);
    if (p) {
        task_rq_lock(busiest_rq, p, &flags)
        if (likely(task_cpu(p) != cpu)) {
            retune->flags = LBF_NONE;
            goto out;
        }
        retune->type = LBF_ALL;
        retune->dest = cpu;
        retune->src = cpu;
        retune->p = p;
    }
    return p;
}

上述代码展示了CFS调度器中实现负载均衡的部分。在每次调度时，调度器会检查各个核心上的任务数量，并选择负载最重的核心和负载最轻的核心。然后将任务重新分配到较轻的核心。这样可以保持各个核心的负载均衡。