1.引言
在Linux基础知识中，了解Linux内核调度器是非常重要的一部分。内核调度器负责管理和分配CPU资源给不同的进程和线程，以实现任务的优先级和并发性。本文将深入探讨内核调度器的初始化，从而更好地理解其工作原理。
2.背景
在Linux操作系统中，内核调度器有多种实现方式，其中最常见的是完全公平调度（CFS）算法。CFS算法通过管理红黑树数据结构来维护进程队列，以实现公平分配CPU时间片。在初始化调度器之前，需要进行一些准备工作。
2.1 内核调度器初始化的位置
在Linux内核中，内核调度器的初始化位于kernel/sched/core.c文件中的init_sched()函数中。这个函数会被调用以初始化调度器在系统启动时的状态。
2.2 重要数据结构
在初始化期间，内核调度器使用了许多重要的数据结构，其中最重要的是struct sched_entity和struct cfs_rq。前者表示调度实体，用于表示一个进程或线程的调度状态。后者表示CFS运行队列，用于在进程之间分配CPU时间片。
3.内核调度器的初始化流程
下面将介绍内核调度器的初始化流程，以便更好地理解其工作方式。
3.1 初始化red-black树
在初始化之前，首先需要创建一个红黑树来管理进程队列。红黑树使用struct rb_root数据结构表示，并使用RB_ROOT宏来初始化根节点。这个红黑树将用于存储各个调度实体的调度状态。
/* 初始化红黑树根节点 */
static DEFINE_STATIC_KEY_FALSE(sched_init)[NR_CPUS];
#define rb_erase_init(node, root) \
do { INIT_HLIST_NODE(&(node)->rb_hash); (node)->rb_parent_color = 0; } while(0)
#define RB_ROOT (struct rb_root) { NULL, }
...
在这里，对红黑树的初始化是非常重要的。它使用了rb_erase_init()宏来删除和初始化一个节点，并使用RB_ROOT宏来初始化根节点。这是调度器初始化的第一步。
3.2 初始化cfs运行队列
接下来的一步是初始化CFS运行队列，它由struct cfs_rq数据结构表示。CFS运行队列用于按照优先级分配CPU时间片，并负责管理进程的调度状态。
struct cfs_rq {
/* CFS运行队列的锁 */
raw_spinlock_t lock;
...
};
/* 初始化cfs运行队列 */
static inline void init_cfs_rq(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
raw_spin_lock_init(&cfs_rq->lock);
...
}
在这里，可以看到cfs运行队列使用一个raw spinlock来实现互斥操作，并且使用init_cfs_rq()函数来进行初始化。这是调度器初始化的第二步。
3.3 初始化调度实体
接下来的一步是初始化调度实体，也就是struct sched_entity数据结构。每个进程或线程都有一个调度实体，用于表示其调度状态。调度实体包含了进程或线程的优先级、对应的任务、调度状态等信息。
struct sched_entity {
/* 进程的优先级 */
struct load_weight load;
...
};
/* 初始化调度实体 */
static void
init_entity_runnable_average(struct sched_entity *se, int cpu)
{
memset(&se->runnable_load_avg, 0, sizeof(se->runnable_load_avg));
...
}
在这里，可以看到调度实体包含了许多重要的信息，如进程或线程的优先级、负载均衡信息等。调度实体的初始化通过init_entity_runnable_average()函数来实现。这是调度器初始化的第三步。
3.4 初始化调度域
最后一步是初始化调度域，也就是struct sched_domain数据结构。调度域用于管理不同的CPU资源，并决定如何分配CPU时间片。在初始化期间，调度域会与CFS运行队列和红黑树结合使用，以实现调度实体的分配和管理。
struct sched_domain {
/* 红黑树用于按优先级排序调度实体 */
struct rb_root rb_root;
...
};
/* 初始化调度域 */
static inline void
init_sched_domains(const struct cpumask *cpu_map_populated)
{
...
/* 初始化红黑树根节点 */
rq->curr->se.rb_node = rb_erase_init(&rq->curr->se, &rq->leaf_cfs_rq->tasks_timeline.rb_root);
...
/* 初始化调度域的红黑树 */
domain->rb_root = RB_ROOT;
...
}
在这里，可以看到调度域使用红黑树struct rb_root来排序调度实体，并使用rb_erase_init()函数来进行节点的删除和初始化。调度域的初始化由init_sched_domains()函数完成，这是调度器初始化的最后一步。
4.总结
本文深入探讨了Linux内核调度器初始化的过程和关键步骤。首先，分析了初始化red-black树的重要性。然后，介绍了CFS运行队列和调度实体的初始化流程。最后，讨论了调度域的初始化和与红黑树的结合使用。通过了解内核调度器初始化的过程，可以更好地理解其工作原理，进而深入研究和优化Linux系统的性能。