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Linux进程调度之CFS调度器_学习笔记

2022年07月19日24powertoolsteam

一、学习笔记

说明:
Kernel版本:4.14

1. 概述
(1) Completely Fair Scheduler,完全公平调度器,用于Linux系统中普通进程的调度。
(2) 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。
(3) 调度实体sched_entity通过 enqueue_entity()和 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:

(1) 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
(2) 运行时间runtime可以转换成虚拟运行时间vruntime
(3) 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;
(4) 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;


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。

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_struct,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。

2.2 rq/cfs_rq/task_struct/task_group/sched_entity
(1) struct rq:每个CPU都有一个对应的运行队列;
(2) 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_entity。rq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
(3) 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;
(4) 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;
(5) 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:

(1) struct sched_entity结构体字段注释如下:

/* CFS-related fields in a runqueue */ 
struct cfs_rq { 
    struct load_weight load;               //CFS运行队列的负载权重值 
    unsigned int nr_running, h_nr_running; //nr_running:运行的调度实体数(参与时间片计算) 
 
    u64 exec_clock;    //运行时间 
    u64 min_vruntime;  //最少的虚拟运行时间,调度实体入队出队时需要进行增减处理 
#ifndef CONFIG_64BIT 
    u64 min_vruntime_copy; 
#endif 
 
    struct rb_root_cached tasks_timeline;  //红黑树,用于存放调度实体 
 
    /* 
     * 'curr' points to currently running entity on this cfs_rq. 
     * It is set to NULL otherwise (i.e when none are currently running). 
     */ 
    struct sched_entity *curr, *next, *last, *skip; //分别指向当前运行的调度实体、下一个调度的调度实体、CFS运行队列中排最后的调度实体、跳过运行的调度实体 
 
#ifdef    CONFIG_SCHED_DEBUG 
    unsigned int nr_spread_over; 
#endif 
 
#ifdef CONFIG_SMP 
    /* 
     * CFS load tracking 
     */ 
    struct sched_avg avg;              //计算负载相关 
    u64 runnable_load_sum; 
    unsigned long runnable_load_avg;   //基于PELT的可运行平均负载 
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED 
    unsigned long tg_load_avg_contrib; //任务组的负载贡献 
    unsigned long propagate_avg; 
#endif 
    atomic_long_t removed_load_avg, removed_util_avg; 
#ifndef CONFIG_64BIT 
    u64 load_last_update_time_copy; 
#endif 
 
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED 
    /* 
     *   h_load = weight * f(tg) 
     * 
     * Where f(tg) is the recursive weight fraction assigned to this group. 
     */ 
    unsigned long h_load; 
    u64 last_h_load_update; 
    struct sched_entity *h_load_next; 
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */ 
#endif /* CONFIG_SMP */ 
 
#ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED 
    struct rq *rq;    /* cpu runqueue to which this cfs_rq is attached */ //指向CFS运行队列所属的CPU RQ运行队列 
 
    /* 
     * leaf cfs_rqs are those that hold tasks (lowest schedulable entity in 
     * a hierarchy). Non-leaf lrqs hold other higher schedulable entities 
     * (like users, containers etc.) 
     * 
     * leaf_cfs_rq_list ties together list of leaf cfs_rq's in a cpu. This 
     * list is used during load balance. 
     */ 
    int on_list; 
    struct list_head leaf_cfs_rq_list; 
    struct task_group *tg;    /* group that "owns" this runqueue */ //CFS运行队列所属的任务组 
 
#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH 
    int runtime_enabled;   //CFS运行队列中使用CFS带宽控制 
    u64 runtime_expires;   //到期的运行时间 
    s64 runtime_remaining; //剩余的运行时间 
 
    u64 throttled_clock, throttled_clock_task; //限流时间相关 
    u64 throttled_clock_task_time; 
    int throttled, throttle_count;   //throttled:限流,throttle_count:CFS运行队列限流次数 
    struct list_head throttled_list; //运行队列限流链表节点,用于添加到cfs_bandwidth结构中的cfttle_cfs_rq链表中 
#endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */ 
#endif /* CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED */ 
};

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:

/* All the scheduling class methods: */ 
const struct sched_class fair_sched_class = { 
    .next          = &idle_sched_class, 
    .enqueue_task  = enqueue_task_fair, 
    .dequeue_task  = dequeue_task_fair, 
    .yield_task    = yield_task_fair, 
    .yield_to_task = yield_to_task_fair, 
 
    .check_preempt_curr    = check_preempt_wakeup, 
 
    .pick_next_task  = pick_next_task_fair, 
    .put_prev_task   = put_prev_task_fair, 
 
    #ifdef CONFIG_SMP 
    .select_task_rq  = select_task_rq_fair, 
    .migrate_task_rq = migrate_task_rq_fair, 
 
    .rq_online  = rq_online_fair, 
    .rq_offline = rq_offline_fair, 
 
    .task_dead  = task_dead_fair, 
    .set_cpus_allowed = set_cpus_allowed_common, 
    #endif 
 
    .set_curr_task  = set_curr_task_fair, 
    .task_tick      = task_tick_fair, 
    .task_fork      = task_fork_fair, 
 
    .prio_changed   = prio_changed_fair, 
    .switched_from  = switched_from_fair, 
    .switched_to    = switched_to_fair, 
 
    .get_rr_interval = get_rr_interval_fair, 
 
    .update_curr     = update_curr_fair, 
 
    #ifdef CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED 
    .task_change_group = task_change_group_fair, 
    #endif 
};

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:

(1) Linux内核默认的 sysctl_sched_latency6ms,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
(2) 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
(3) 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
(4) 虚拟运行的时间 = 实际运行时间 * NICE_0_LOAD / 该任务的权重

从上面计算公式可以看出,权重高的进程运行时间runtime更大,但是vruntime由于分子分母互相消除,权重高的进程的虚拟运行时间的增速却是一样的。

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:

/*权重只和进程的nice值有关*/ 
const int sched_prio_to_weight[40] = {  
 /* -20 */     88761,     71755,     56483,     46273,     36291, 
 /* -15 */     29154,     23254,     18705,     14949,     11916, 
 /* -10 */      9548,      7620,      6100,      4904,      3906, 
 /*  -5 */      3121,      2501,      1991,      1586,      1277, 
 /*   0 */      1024,       820,       655,       526,       423, 
 /*   5 */       335,       272,       215,       172,       137, 
 /*  10 */       110,        87,        70,        56,        45, 
 /*  15 */        36,        29,        23,        18,        15, 
};

从sched_prio_to_weight[]可知,nice值每减小1,权重增加约25%,一个调度周期中大约可以多获得25%的CPU时间。

图来了:

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:

主要的工作包括:

(1) 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;
(2) 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:

/*注册这些定时器中断*/ 
arch_timer_register(void) //drivers\clocksource\arm_arch_timer.c 
    irqreturn_t timer_handler(const int access, struct clock_event_device *evt) //drivers\clocksource\arm_arch_timer.c 
    evt->event_handler(evt); 
        tick_device_uses_broadcast(struct clock_event_device *dev, int cpu) //kernel\time\tick-broadcast.c 
            tick_handle_periodic(struct clock_event_device *dev) //kernel\time\tick-common.c 
                tick_periodic(int cpu) //kernel\time\tick-common.c 
                        /*在定时器中断处理函数中调用,user_tick若是用户时间为1,若是系统时间为0*/ 
                        update_process_times(int user_tick) //kernel\time\timer.c 
                            /*这个函数是在定时器的代码中被调用,调用周期为HZ,关着中断调用的*/ 
                            scheduler_tick(void) //kernel\sched\core.c 
 
/*切换到高分辨率模式*/ 
hrtimer_switch_to_hres(void) 
    tick_setup_sched_timer(void) //kernel\time\tick-sched.c 
        tick_sched_timer(struct hrtimer *timer) //kernel\time\tick-sched.c 
            tick_sched_handle(struct tick_sched *ts, struct pt_regs *regs) //kernel\time\tick-sched.c 
                update_process_times(user_mode(regs)); 
 
 
tick_nohz_switch_to_nohz(void) 
    /*nohz低分辨率中断处理函数*/ 
    tick_nohz_handler(struct clock_event_device *dev) 
        tick_sched_handle(struct tick_sched *ts, struct pt_regs *regs) //kernel\time\tick-sched.c 
            update_process_times(user_mode(regs));

3.3 任务出队入队

(1) 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;
(2) 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(移除后放在哪?);
(3) 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。

(1) 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;
(2) 由于dequeue_task_fair大体的逻辑类似,不再深入分析;
(3) 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:

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:

(1) 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;
(2) 当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;
(3) 当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时,则需要遍历任务组来选择下一个执行的任务了。
(4) 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;
(5) 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;
(6) 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;
(7) 调度类的优先级体现在 pick_next_task 函数中。

参考:
(五)Linux进程调度-CFS调度器


本文参考链接:https://www.cnblogs.com/hellokitty2/p/14337764.html