调度江湖风云录：CFS、实时调度与公平性的权谋艺术

------ 小dora 操作系统学习笔记Vol.7 · 高阶 CPU 调度篇

"dora：我的程序卡顿，但又没崩，调度器是不是偏心眼？"

操作系统翻开 /proc/sched_debug： "你虚拟运行时间太长了，等会儿再说。"

🧠 一、调度器的"终极目标"是啥？

在初学者眼中，调度器（Scheduler）似乎就是排排坐、吃果果------谁排在前面，谁就先执行。但现代操作系统可不是"幼儿园排队"，调度策略早已进化出多套机制，以适应不同的工作负载、服务质量需求和资源公平性。

一个优秀的调度器必须应对以下挑战：

多任务并发：可能同时运行数千个进程/线程，要求公平高效。
任务性质多样：有的 CPU 密集（如视频编解码），有的 IO 密集（如数据库服务）。
响应时间 vs 吞吐量：实时系统要快，服务器系统要多。
多核系统调度协调：避免所有任务扎堆一个核心。

于是，Linux 内核开发者设计了被誉为"最具工程美感"的调度器之一：CFS（Completely Fair Scheduler） 。

🌲 二、CFS 完全公平调度器：红黑树上的权力游戏

CFS 的调度哲学非常直接，却充满算法优雅：

"谁在历史上被冷落得最久，就优先上台发言。"

✅ 2.1 虚拟运行时间 vruntime

为实现"公平"，CFS 为每个任务维护一个名为 vruntime 的值，即虚拟运行时间。

vruntime 越小，说明该任务最近获得的 CPU 时间越少，优先级越高。
每当一个任务运行时，其 vruntime 就以一定速度增长。
这个增长速率不仅与实际运行时间相关，还与任务的 nice 值（优先级） 有关。
- nice 值低（优先级高），vruntime 增长慢。
- nice 值高（优先级低），vruntime 增长快。

📌 巧记口诀：

"vruntime 越小越可怜，红黑树头第一个先上班。"

✅ 2.2 红黑树调度机制

CFS 使用一个红黑树（rb-tree）来存储所有"就绪态"进程的 vruntime。

红黑树具有自平衡性质，可以在 O(logN) 时间内插入、删除、查找。
树的最左节点就是 vruntime 最小的任务 → 它将成为下一个调度对象。
每次调度器触发调度时，只需取树根节点，即最"饿"的进程。

这种方式避免了传统调度策略中频繁排序、遍历链表等开销。

⚖️ 三、调度周期与时间片如何分配？

CFS 的另一个创新点是：它不采用固定时间片（如 RR 的每个任务给 10ms） ，而是通过计算每个任务应获得的"公平份额"。

✅ 3.1 调度周期与权重计算

CFS 设定一个调度周期（例如 20ms），然后按照任务的调度权重（weight）来分配时间：

ini 复制代码

slice_i = period × weight_i / total_weight

period：CFS 的全局调度周期。
weight_i：第 i 个任务的权重（由 nice 值决定）。
total_weight：所有活跃任务的权重总和。

✅ 3.2 nice 值与权重映射表

nice	weight
-20	88761
0	1024
+19	15

nice 越低，代表用户希望该任务获得更高 CPU 优先级，权重更大。
所以，同样是 20ms 周期，nice=-10 的进程可能获得 8ms，nice=10 的只获得 1ms。

📌 巧记口诀：

"nice 不 nice，时间少一拍。"

✅ 3.3 时间片不是固定的？为何？

固定时间片不能体现任务间的"优先级公平性"。
CFS 动态计算 slice，保证各任务"被调度的权利"接近其权重占比。
避免了高优先级任务被低优先级任务饿死的风险。

🧵 四、进阶：实时调度策略（Real-Time Scheduling）

除了 CFS 外，Linux 还实现了三种实时调度策略，分别用于硬实时/软实时场景。它们与 CFS 不同，不关心公平，而是强调 确定性。

1️⃣ SCHED_FIFO：先进先出，绝不让位

一旦某个高优实时任务获得 CPU，将一直运行到阻塞/退出。
不会因为时间片用尽而切换。
只有更高优先级任务才可打断它。

→ 非常适合处理控制系统、实时音频等对延迟极为敏感的场景。

2️⃣ SCHED_RR：实时时间片轮转

同优先级下多个实时任务轮转调度。
每个任务有时间片，时间片用完被强制切换。
保证"不会被饿死"，但调度响应仍然快速。

3️⃣ SCHED_DEADLINE：硬实时神器

基于 Earliest Deadline First (EDF) 算法，适用于高精度任务调度。

用户需要指定：运行时间、周期、截止时间。
调度器确保任务在截止时间前完成运行。

📌 示例命令：

bash 复制代码

chrt -f -p 80 <pid>   # 将进程切为 SCHED_FIFO，优先级 80

📌 优先级范围：

实时策略：1--99（数字越大优先级越高）
CFS（普通进程）：nice -20 到 +19

🧪 五、实战小测

🔍 题目 1

假设调度周期为 24ms，系统中有两个任务：

A，nice=0（weight=1024）

B，nice=10（weight=110）
计算时间片：

计算总权重：

ini 复制代码

ini
复制编辑
total_weight = 1024 + 110 = 1134

计算各自时间片：

ini 复制代码

ini
复制编辑
slice_A = 24ms * 1024 / 1134 ≈ 21.67ms  
slice_B = 24ms * 110 / 1134 ≈ 2.33ms

结论：任务 A 时间片远大于 B，说明它能获得更多 CPU 时间，这符合 nice 值较低任务优先的调度原则。

🔍 题目 2

哪个任务更容易被调度：

任务 A：vruntime = 100ms

任务 B：vruntime = 75ms

解读：CFS 会优先调度 vruntime 较小的任务，因为它代表"被冷落的时间越久"，等待时间越长。

所以任务 B（vruntime=75ms）比 A（100ms）更容易被调度。

🔍 题目 3

以下关于 SCHED_FIFO 的说法哪个是正确的？

A. FIFO 任务有时间片限制

B. FIFO 任务一旦运行，永不切换除非阻塞

C. FIFO 和 CFS 使用相同优先级机制

D. FIFO 会自动调整 nice 值

答案：B

SCHED_FIFO 是一种无时间片的实时调度策略，任务一旦获得 CPU，就一直运行，直到主动阻塞、退出或被更高优先级任务抢占。
它与 CFS 机制不同，不会自动调整 nice 值。
因此 B 是正确答案。