本文是自己在深入阅读Operating Systems Three Easy Pieces关于Proportional Share（比例份额调度）的知识点总结，后面会不断更新连续每一节，欢迎大家批评指正。 也是面试经典问题总结
0. overview
💡 本节介绍一种不同的调度器→proportional-share（fair-share）比例份额调度器或者称为公平份额的调度器。其想法很简单：不是关注周期时间和响应时间，该调度器而是保证每个进程作业获得**特定比例份额的CPU时间。**
经典的调度有lottery scheduling→彩票调度。其想法很简单：获得彩票的进程应该得到运行，经常运行的进程应该有更多机会去获得彩票。
1. basic idea : random tickets（lottery scheduling）
彩票调度是一个非常基本的概念：彩票ticket，用于表示进程（或用户或其他）应接收的资源份额。
持有彩票很简单：调度程序必须知道总共有多少张彩票（在我们的示例中，有 100 张）。
调度器会随机选一个获奖的彩票（这里假设有100张，则选的号码为0-99），持有获奖彩票的进程能够得到运行。
如A有彩票0到74，B有彩票75-99。则按道理A会运行百分之75的时间。B会运行百分之25
若调度器选获奖的彩票为85，则B开始运行。
这两个工作的时间越长，它们就越有可能达到预期的百分比。
💡 优点：该方法实现简单，不需要记录全局的状态，只要记录总共有多少个ticket和每个进程的ticket数量就好了。 **其不足之处**：调度器随机选一个获奖的彩票号运行，可能不能够满足预期的程序运行的百分比。
1.1 ticket mechanisms
- ticket currency票值
- ticket transfer ：一个进程短暂的将其ticket交给另外的程序，让其获得更高的次数
- ticket inflation：一个进程能够短暂地提高或降低其ticket数量
1.2 Implementation
其实现很简单：所需要的只是一个好的随机数生成器来选择获胜的彩票ticket，一个系统进程的数据结构（例如，列表）以及彩票总数。
如此时有三个进程，A，B，C分别有100，50，250的ticket数量，总共有400个ticket。假设调度器随机生成获胜的ticket为300。
其简单的遍历该列表，通过累加每个节点的tix数，直到累加的数大于300，则该节点就是即将运行的进程。
为了能够是程序更加高效，我们可以将其列表排序。
1.3 精确份额的ticket→stride scheduling
原来随机的scheduling 的其不足之处 ：调度器随机选一个获奖的彩票号运行，可能不能够满足预期（不精确）的程序运行的百分比。
这里提出精确的调度方法→stride scheduling步调调度
其思想：系统中的每个作业都有一个步幅stride，与它拥有的票数成反比。初始每个作业有个pass value，初始为0。每次运行时，选择pass value最小的值的作业运行，运行完后将其作业的pass value叠加其stride值。
计算stride步幅：用一个较大数，除以每个作业拥有的ticket数量。
如：A,B,C有100，50，250个ticket，则其stride分别可以计算为用10000除以其每个ticket。→100,200,40。
如上图，初始每个作业的pass value均为0，运行时选择最小的作业进行运行，假设选取A，则运行完后A的pass value叠加成100，此时从pass value在选最小的，假设选B。则B的pass value叠加成200，最后。。。。
最后运行完，发现A,B,C运行的比例和原始的ticket的比例份额事准确一样的。
💡 为什么不用该stride方法呢？而用random彩票调度的方法？ **random彩票调度具有stride步幅调度没有的一个很好的属性：没有保存全局状态。** 该步幅调度，需要保存每个作业全局状态信息，如pass value和stride值。**假设此时新来一个进程作业D**，则其初始pass value设置为0，则后面D就会垄断CPU的执行了。
所以对比之下，彩票调度可以更轻松地以合理的方式整合新的作业。
2. The Linux Completely Fair Scheduler (CFS)
当前linux实现了完全公平的调度，提高了效率和可伸缩性。CFS的目标是能够花尽量少的时间做出调度决策。研究表明，调度会使用CPU的5%的时间。
因此，尽可能地减少这种开销是现代调度器架构的一个关键目标。
2.1 CFS basic operation
不像大多数调度器一样，将时间片化成固定的。CFS会将时间片进行变化：公平地将CPU的运行时间均匀划分给每个竞争的进程。当每个进程运行时，会累积其vruntime（虚拟运行时间），随着程序的运行，其vruntime会增加。当调度发生时CFS会选择最低的vruntime进程进行运行。
问题1: CFS什么时候进行调度切换呢？
- 通过参数sched-latency 来决定。将sched-latency除以正在运行的进程个数 ，得到其每个进程运行的时间片长度，当每个进程运行完其时间片时，则会发现调度切换，CFS会选择最低的vruntime进程进行运行。
例如，假设sched-latency = 48 ms,如果有 n = 4 个进程正在运行，CFS 会将sched-latency 值除以 n，得出每个进程 12 毫秒的时间片。CFS 然后调度第一个作业并运行它，直到它使用了 12 毫秒的（虚拟）运行时，然后检查是否有一个具有较低 vruntime 的作业来代替运行。在这种情况下，有，CFS 将切换到其他三个工作之一，依此类推。图 9.4 显示了一个示例，其中四个作业（A、B、C、D）分别以这种方式运行两个时间段。然后完成其中两个（C，D），只剩下两个，然后每个以Round-robin方式运行24毫秒。
问题2: 若有太多的进程在运行，那么时间片会不会很短，从而经常发生调度切换，影响其性能？
- 第二个参数min_granularity，决定了时间片的最短时间，当sched-latency除以正在运行的进程个数，得到其每个进程运行的时间片长度小于min_granularity时，则会将时间片设置为min_granularity。
2.2 CFS控制程序的优先级→nice table?
CFS 还支持对进程优先级的控制，使用户能够或管理员为某些进程提供更高的 CPU 运行份额。它不是通过ticket来做到这一点，而是通过一种经典的UNIX机制来实现的，这种机制被称为进程的nice level。对于进程，nice 参数可以设置为 -20 到 +19 之间的任意位置，默认值为 0。正值意味着优先级较低 ，负值表示较高优先级;
CFS 将每个过程的nice值映射到一个权重
所以其时间片段计算改为：
假设有两个进程作业A,B，我们更喜欢A，则给A分配低的nice值-5，B分配为0。
则A的权重为3121，B为1024。通过计算，分给A的时间片段是B的三倍。从而改变其份额优先级分配。
除了改变其时间片段，其虚拟时间vruntime的叠加也发生改变：
A的vruntime时间的叠加比B慢三分之一，所以A运行的更久
构建上述权重表的一个聪明方面是，当 nice 值的差异是恒定的时，该表保留了 CPU 比例比率。例如，如果进程 A 的 nice 值是 5（不是 -5），而进程 B 的 nice 值是 10（不是 0），CFS 会以与之前完全相同的方式调度它们。
2.3 CFS using Red-Black tree
如上所述，CFS 的一个主要关注点是效率。对于调度器来说，效率有很多方面，但其中之一就是这么简单：当调度器必须找到下一个要运行的作业时，它应该尽快完成。像列表这样的简单数据结构无法扩展：现代系统有时由数千个进程组成，因此每隔几毫秒就搜索一个长列表是一种浪费。
所以CFS使用的是红黑树。CFS并不把所有进程都保留在这个结构中;相反，只有正在运行的（或可运行的）进程被保留在其中。如果进程进入睡眠状态（例如，等待 I/O 完成，或等待网络数据包到达），则会将其从树中删除并跟踪其他位置。
如：假设有 10 个作业，并且它们具有以下 vruntime 值：1、5、9、10、14、18、17、21、22 和 24。如果我们将这些作业保存在有序列表中，则找到下一个要运行的作业将很简单：只需删除第一个元素即可。但是，将该作业放回列表中时（按顺序），则需要找到合适的插入位置进行插入，需要消耗O(n)的时间。但是使用红黑树只需要O(logn)的时间。提高其效率；
2.4 CFS处理I/O等长时间睡眠的进程
选择最低 vruntime 来运行会导致一些问题，如会出现在长时间休眠的进程作业中。想象两个进程，A 和 B，其中一个 (A) 连续运行，另一个 (B) 进入休眠，睡眠很长一段时间（比如 10 秒）。当 B 醒来时，它的 vruntime 将比 A 晚 10 秒，因此B 现在将在接下来的 10 秒内独占 CPU，同时赶上A，实际上使 A 处于饥饿状态。
解决办法：
当进程唤醒时，CFS 通过更改作业唤醒时的 vruntime来处理这种情况。将其vruntime设置为红黑树中最小的vruntime值 。这样避免了其他进程的挨饿现象，但睡眠时间短的作业经常无法获得 CPU 的公平份额。
3. summary
公平共享的调度程序有其公平的问题。一个问题是，这种方法与I / O不是特别吻合;如上所述，偶尔执行 I/O 的作业可能无法获得其公平的 CPU 份额。另一个问题是，他们留下了ticket或优先级分配的难题，即，应该分配多少ticket，或者设置nice值哪个好值？