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一文讲解Linux进程调度-CFS调度器

2022-12-15 17:51 作者:补给站Linux内核  | 我要投稿

说明:

  1. Kernel版本:4.14

  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核

  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 概述

  • Completely Fair Scheduler,完全公平调度器,用于Linux系统中普通进程的调度。

  • 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。

  • 调度实体sched_entity通过enqueue_entity()dequeue_entity()来进行红黑树的出队入队。

老规矩,先上张图片来直观了解一下原理:

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  • 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

  • 运行时间runtime可以转换成虚拟运行时间vruntime

  • 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;

  • 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;

在开始本文之前,建议先阅读下Linux进程调度器-基础


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。

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  • 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_struck,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。

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2.2 rq/cfs_rq/task_struct/task_group/sched_entity

  • struct rq:每个CPU都有一个对应的运行队列;

  • 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_entityrq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;

  • 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;

  • 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;

  • struct sched_entity:调度实体,这个也是CFS调度管理的对象了;

来一张图看看它们之间的组织关系:

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  • struct sched_entity结构体字段注释如下:

struct cfs_rq结构体的关键字段注释如下:

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:

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:

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  • 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;

  • 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;

  • 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;

  • 虚拟运行的时间 = 实际运行时间 * NICE_0_LOAD / 该任务的权重;

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:

图来了:

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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:

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主要的工作包括:

  • 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;

  • 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:

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3.3 任务出队入队

  • 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;

  • 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;

  • 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。

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  • 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;

  • 由于dequeue_task_fair大体的逻辑类似,不再深入分析;

  • 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:

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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:

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  • 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

  • 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;

  • 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是,则需要遍历任务组来选择下一个执行的任务了。

  • 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;

  • 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;

  • 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;

原文作者:LoyenWang



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