CFS理论模型

参考资料：《调度器笔记》Kevin.Liu

《Linux kernel development》

《深入Linux内核架构》

version: 2.6.32.9

下文中对于红黑树或链表组织的就绪队列，统称为用队列组织的就绪队列。                                              
    linux中用struct rq将处于ready状态的进程组织在一起。
    struct rq结构体包含cfs和rt成员，分别表示两个就绪队列：cfs就绪队列用于组织就绪的普通进程(这个队列上的进程用完全公平调度器进行调度);rt就绪队列用于组织就绪的实时进程(该队列上的进程用实时调度器调度)。
    在多核cpu系统中，每个cpu对应一个struct rq结构体实例。

核心调度器分为：
    1、周期性调度器  schedule_tick();
         周期性调度器不负责进程的切换，只是定时更新调度相关的统计信息，以备主调度器使用。
    2、主调度器      schedule()；
         主调度器的工作是完成进程的切换,将CPU的使用权从一个进程切换到另一个进程。

调度器类：
    linux内核把用于处理普通进程调度的函数用struct sched_class结构体实例fair_sched_class组织起来；
    把用于处理实时进程调度的函数用struct sched_class结构体实例rt_sched_class组织起来；
    把用于处理idle进程调度的函数用struct sched_class结构体实例idle_sched_class组织起来。

linux中如何决定就绪进程在就绪队列中先后顺序的模型建立衍化过程：
A. runtime公平模型
    CPU的总时间按就绪进程数目等分给每个进程，每个进程在就绪队列中的先后顺序由它已享用的(runtime)决定，已享用CPU时间短的进程排在队列的最前面，反之排在队列的后面,调度器每次都选则队列的最前面的进程运行。
    漏洞：原有A、B、C三个进程在服务器上运行的runtime各自都等于1年，这时进程D被创建，那么接下来的一年内，只进程D在运行，其它进程如同dead一样……

B. min_runtime公平模型
    假设系统中有A、B、C三个进程，其已运行时间为：

---------------------|--------|----------|---------
    进程              |   A    |     B    |    C
---------------------|--------|----------|---------
    runtime(ms)      |   100  |    150   |   200
---------------------|--------|----------|---------

什么是“公平”？？？
    操作系统应该在“当前”，将时间公平分配给“当前”系统中的每个进程，“当前”意味着：
        a)进程A、B、C在系统中经历了100 + 150 + 200 = 450ms，它们应公平享用这段时间，即每个进程应当执行150ms。
        b)D进程被创建了，那么从现在起操作系统应该将CPU时间公平分配给这四个进程(从进程创建之时起，它就应该受到“不计其它进程的历史”的待遇，调度器对所有此后运行的进程一视同仁)。

如果将新建进程D的runtime设置为A、B、C中runtime最大的值显然对进程D不公，如果设置为它们中的最小值，那又对进程A不公。我们将进程D的runtime设置为A、B、C中最小的那个值，这就是在runtime公平模型上改进之后得到的min_runtime公平模型。

C. weight优先级模型
    不同进程具有不同的重要性，重要的进程尽量被分配多的CPU时间，不重要的进程应该分配少的CPU时间。
    为了达到这个目的，我们引入一个权重(weight)参数，即每个进程有一个权重值，进程得到的CPU时间和这个权重值成正比。
    假设进程A、B的权重分别是1，2，这就意味着：A进程执行了Nms后以及B进程执行2Nms后它们应当具有相同的先后顺序，即它们的runtime值基本相同。由于runtime表示进程已经运行的时间，显然和上述表述矛盾，因此我们引入另一个参数vruntime(虚拟运行时间)代替它(vruntime仅仅是一个数值，用来作为对进程进行排序的参考，不用来反映进程真实执行时间).
    每个进程有一个vruntime值，调度器总是选择vruntime值最小的进程使用CPU资源，并且vruntime增长的速度和weight值成反比.
    设单核处理器上有新建的A、B两个进程：
    a) 初始的时候两个进程都没有运行，runtime都等于0

-----------------|-------------|-----------
      进程        |   A         |    B
-----------------|-------------|-----------
    weight       |   1         |    2
-----------------|-------------|-----------
  runtime(ms)    |   0         |    0
-----------------|-------------|-----------
    vruntime     |   0         |    0
-----------------|-------------|-----------
按vruntime进行排序               |    A B
-------------------------------|-----------

b) 调度器选择A，它运行了4ms：

  ----------------|----------|-----------
      进程         |   A      |    B
  ----------------|----------|-----------
      weight      |   1      |    2
  ----------------|----------|-----------
      runtime(ms) |   4      |    0
  ----------------|----------|-----------
      vruntime    |   4      |    0
  ----------------|----------|-----------
    按vruntime进行排序         |    B A
  ---------------------------|-----------

c) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：

 -----------------|----------|-----------
     进程          |   A      |    B
 -----------------|----------|-----------
     weight       |   1      |    2
 -----------------|----------|-----------
   runtime(ms)    |   4      |    4
 -----------------|----------|-----------
    vruntime      |   4      |    2
 -----------------|----------|-----------
    按vruntime进行排序         |    B A
 ----------------------------|-----------

d) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：

  ----------------|----------|-----------
      进程         |   A      |    B
  ----------------|----------|-----------
     weight       |   1      |    2
  ----------------|----------|-----------
    runtime(ms)   |   4      |    8
  ----------------|----------|-----------
      vruntime    |   4      |    4
  ----------------|----------|-----------
      按vruntime进行排序       |    A B
  ---------------------------|-----------

e) vruntime相同，但是A在前，选择A运行，运行了4ms:

---------------|---------|-----------
      进程      |   A     |    B      
---------------|---------|-----------
     weight    |   1     |    2         
---------------|---------|-----------
   runtime(ms) |   8     |    8
---------------|---------|-----------
   vruntime    |   8     |    4
---------------|---------|-----------
  按vruntime进行排序       |    B A
-------------------------|-----------

f) B的vruntime最小，选择B运行，运行了4ms：

  ----------------|---------|-----------
        进程       |   A     |    B
  ----------------|---------|----------
      weight      |   1     |    2
  ----------------|---------|-----------
      runtime(ms) |   8     |    12
  ----------------|---------|-----------
      vruntime    |   8     |    6
  ----------------|---------|-----------
       按vruntime进行排序     |    B A
  --------------------------|-----------

D、period模型
    早期调度器使用了时间片模型，例如每当4ms后（或着进程还未执行完4ms，就有特殊情况产生了，比如进程要睡眠），主调度器
schedule就会重新选择一个vruntime值最小的进程来执行。
    但是现在我们不用时间片的概念了，那么主调度器schedule应该在什么时候启动并选择一个新的进程执行呢？？？
    
    引入period参数
    系统设定一个period值(它表示一段时间)，每个进程对应一个ideal_runtime值（称为理想欲运行时间），每个进程的ideal_runtime值的设定方式：所有可运行进程的ideal_runtime值的和等于period，每个进程的ideal_runtime值的大小与它的权重weight成正比。
    该模型规定：每个进程每次获得CPU使用权，最多执行它对应的ideal_runtime这样长的时间。
    注意：CPU并没有把时间分成长度为period的时间段，系统仅仅限定了每个进程每次执行时间不能超过它对应的ideal_time指定的时间长度。
    如果period=20ms，当前系统中只有A、B、C、D四个进程，它们的weight分别为:1、2、3、4。那么A的ideal_runtime = 2ms,B,C,D的ideal_runtime依次为4ms,6ms, 8ms。

a) 初始情况如下：

--------------------|-----------|----------|----------|----------
       进程          |    A      |    B     |    C     |    D
--------------------|-----------|----------|----------|----------
     weight         |    1      |    2     |    3     |    4
--------------------|-----------|----------|----------|----------
ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
--------------------|-----------|----------|----------|----------
    runtime(ms)     |    0      |    0     |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
     vruntime       |    0      |    0     |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序  |    A B C D
--------------------|--------------------------------------------

b) 和前一个模型一样，vruntime的行走速度和权重值成反比，设定权重权为1的A进程的vruntime和实际runtime行走速度相同。A先执行，它执行了2ms，此时：

--------------------|-----------|----------|----------|----------
         进程        |    A      |    B     |    C     |    D
--------------------|-----------|----------|----------|----------
       weight       |    1      |    2     |    3     |    4
--------------------|-----------|----------|----------|----------
ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
--------------------|-----------|----------|----------|----------
   runtime(ms)      |    2      |    0     |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
    vruntime        |    2      |    0     |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序  |    B C D A
--------------------|--------------------------------------------

c) B的vruntime值最小,选择B运行，假设B运行了3ms：

--------------------|-----------|----------|----------|----------
         进程        |    A      |    B     |    C     |    D
--------------------|-----------|----------|----------|----------
        weight      |    1      |    2     |    3     |    4
--------------------|-----------|----------|----------|----------
ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
--------------------|-----------|----------|----------|----------
    runtime(ms)     |    2      |    3     |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
     vruntime       |    2      |    1.5   |    0     |    0
--------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序  |    C D B A
--------------------|--------------------------------------------

d) C的vruntime值最小，选择C运行，假设C运行了3ms：

 --------------------|-----------|----------|----------|----------
         进程         |    A      |    B     |    C     |    D
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
       weight        |    1      |    2     |    3     |    4
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
 ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
    runtime(ms)      |    2      |    3     |    3     |    0
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
      vruntime       |    2      |    1.5   |    1     |    0
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序   |    D C B A
 --------------------|--------------------------------------------

e) D的vruntime值最小，选择D运行，假设D运行了8ms:

 --------------------|-----------|----------|----------|----------
        进程          |    A      |    B     |    C     |    D
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
       weight        |    1      |    2     |    3     |    4
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
 ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
    runtime(ms)      |    2      |    3     |    3     |    8
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
     vruntime        |    2      |    1.5   |    1     |    2
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序   |    C B A D
 --------------------|--------------------------------------------

f) 进程D运行的时间等于它的ideal_runtime，调度器被激活，重新选择一个进程运行，接着C进程被选中执行。
       关键在于： C可以运行多长时间？？？

根据ideal_runtime的定义，它只是要求，每个进程每次占用CPU的资源不超过它对应的ideal_runtime，上次进程C被调度的时候它只执行了3ms，没有超过它的ideal_runtime(6ms);但是，这次它又可以获得CPU的使用权了，是新的一次调度了，与之前无关。因此，进程C最多可以运行6ms，那么接下来进程C可以连续运行6ms:

 --------------------|-----------|----------|----------|----------
         进程         |    A      |    B     |    C     |    D
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
      weight         |    1      |    2     |    3     |    4
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
 ideal_runtime(ms)   |    2      |    4     |    6     |    8
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
     runtime(ms)     |    2      |    3     |    9     |    8
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
       vruntime      |    2      |    1.5   |    3     |    2
 --------------------|-----------|----------|----------|----------
  按vruntime进行排序   |    B A D C
 --------------------|--------------------------------------------

不要错误地认为：系统将CPU时间划分成一段一段的，每片长度为period，并且将它们按权重分配给每个进程，并且规定它们在该period内最多执行ideal_runtime限定的时间，进入下一个period时间段后，系统又重新为各个进程分配ideal_runtime;    
因为CPU并没有把时间分成长度为period的时间段，系统仅仅限定了每个进程每次执行时不能超过它对应的ideal_time指定的时间长度。

该机制的作用是：每个进程在就绪队列中等地的时间不会超过period,因为每个进程获得CPU使用权后，如果它执行的时间等于它的ideal_runtime，那么它的vruntime基本上就比其它所有进程的vruntime值高了，自然会排到队列的后面。

上述基于weight优先级模型和period模型的调度器所实现的效果, 每个进程每次调度运行的时间不在受4ms(例如)的限制了，而是可以运行“任意”长时间:
    a) 每个进程每次获得CPU使用权最多可以执行与它对应的ideal_runtime那么长的时间。
    b) 如果每个进程每次获得CPU使用权时它都执行了它对应的ideal_runtime那么长的时间，整个就绪队列的顺序保持不变。
    c) 如果某个进程某几次获得CPU使用权时运行的时间小于它ideal_time指定的时间（即它被调度时没有享用完它可以享用的最大
时间），按照vruntime进行排序的机制会使得它尽量排在队列的前面，让它尽快把没有享用完的CPU时间弥补起来。

period抽象模型基本上就是对内核cfs调度机制的一个抽象（没有考虑睡眠，抢占等细节）：
        a) 每个进程有一个权重值(weight),值越大，表示该进程越优先。
       
b)
每个进程还对应一个vruntime(虚拟时间)，它是根据进程实际运行的时间runtime计算出来的。vruntime值不能反映进程执行的真实时间，只是用来作为系统判断接下来应该选择哪个进程使用CPU的依据————调度器总是选择vruntime值最小的进程执行。
        c) vruntime行走的速度和进程的weight成反比。
       
d)
为了保证在某段时间(period)内每个进程至少能执行一次，操作系统引入了ideal_runtime的概念，规定每次获得CPU使用权时，执行时间不能超过它对应的ideal_runtime值。达到该值就会激活调度器，让调度器再选择一个vruntime值最小的进程执行。
        e) 每个进程的ideal_runtime长度与它的weight成正比，如果有N个进程，那么：
                                           task[i]->weight
           task[i]->ideal_time = -------------------- * period
                                         sum_weight(task, N)

转自：阿加