Android CPU调度优化完整剖析指南

Android CPU调度优化完整剖析指南

1. CPU调度基础概念

1.1 什么是CPU调度？

CPU调度是操作系统内核的核心功能，负责决定哪个进程/线程在何时使用哪个CPU核心。在Android系统中，良好的调度策略直接影响用户体验、性能和功耗。

1.2 关键术语解释

• 进程(Process): 程序的运行实例
• 线程(Thread): 进程内的执行单元
• 任务(Task): Linux内核中的调度实体
• 调度器(Scheduler): 负责调度决策的内核组件
• 时间片(Time Slice): 任务连续执行的时间长度
• 上下文切换(Context Switch): CPU从一个任务切换到另一个任务

1.3 Android调度架构层次

┌─────────────────────────────────────┐
│        应用层 (Applications)       │
├─────────────────────────────────────┤
│      框架层 (Android Framework)   │
├─────────────────────────────────────┤
│      系统调用层 (System Calls)    │
├─────────────────────────────────────┤
│      内核调度层 (Kernel Scheduler)│
├─────────────────────────────────────┤
│      硬件抽象层 (HAL)              │
├─────────────────────────────────────┤
│      硬件层 (Hardware)             │
└─────────────────────────────────────┘

2. 硬件层CPU调度原理

2.1 ARM多核架构基础

现代Android设备通常采用ARM big.LITTLE架构：

• 大核(Big cores): 高性能，高功耗
• 小核(LITTLE cores): 低性能，低功耗
• DynamIQ技术: 允许不同核心共享缓存

2.2 CPU拓扑结构

// 内核中的CPU拓扑表示
struct cpu_topology {
    int thread_id;      // 线程ID
    int core_id;        // 核心ID
    int package_id;     // 封装ID
    int llc_id;         // 最后级缓存ID
};

2.3 硬件性能状态

• P-states: 性能状态，调节CPU频率
• C-states: 睡眠状态，CPU空闲时的省电模式
• DVFS: 动态电压频率调节

3. 内核层调度器实现

3.1 Linux调度器演进

1. O(1)调度器: Linux 2.6之前的调度器
2. CFS调度器: 完全公平调度器(当前主要调度器)
3. EAS调度器: 能量感知调度器(Android特有优化)

3.2 CFS调度器核心原理

3.2.1 虚拟运行时间

struct sched_entity {
    u64 vruntime;           // 虚拟运行时间
    u64 exec_start;          // 开始执行时间
    u64 sum_exec_runtime;    // 总执行时间
    u64 prev_sum_exec_runtime; // 上次执行时间
};

3.2.2 红黑树调度队列

CFS使用红黑树管理就绪队列，键值为虚拟运行时间：

• 最左节点：vruntime最小的任务(下一个运行的任务)
• 插入复杂度：O(log n)
• 删除复杂度：O(log n)

3.3 调度类(Scheduling Classes)

3.3.1 实时调度类(RT)

struct sched_rt_entity {
    struct list_head run_list;      // 运行列表
    unsigned long timeout;          // 超时时间
    unsigned int time_slice;         // 时间片
    int nr_cpus_allowed;             // 允许的CPU数
};

3.3.2 完全公平调度类(CFS)

struct sched_entity {
    struct load_weight load;        // 负载权重
    struct rb_node run_node;        // 红黑树节点
    unsigned int on_rq;              // 是否在运行队列
    u64 vruntime;                     // 虚拟运行时间
};

3.3.3 截止时间调度类(DL)

struct sched_dl_entity {
    u64 dl_runtime;                 // 运行时间
    u64 dl_deadline;                // 截止时间
    u64 dl_period;                  // 周期
    u64 dl_bw;                      // 带宽
};

3.4 负载计算与PELT算法

3.4.1 PELT(Per-Entity Load Tracking)

struct sched_avg {
    u64 last_update_time;           // 最后更新时间
    u64 load_sum;                   // 负载总和
    u32 load_avg;                   // 平均负载
    u32 util_avg;                   // 平均利用率
    u32 util_est;                   // 利用率估计
};

3.4.2 负载衰减计算

static __always_inline u64 decay_load(u64 val, u64 n) {
    // 指数衰减计算
    return val >> n;
}

3.5 CPU容量感知调度

3.5.1 CPU容量计算

#define SCHED_CAPACITY_SHIFT 10
#define SCHED_CAPACITY_SCALE (1L << SCHED_CAPACITY_SHIFT)

static inline unsigned long capacity_of(int cpu) {
    return cpu_rq(cpu)->cpu_capacity;
}

3.5.2 容量约束条件

#define fits_capacity(cap, max) ((cap) * 1280 < (max) * 1024)

4. Android框架层调度接口

4.1 Process类调度接口

public class Process {
    // 设置线程优先级
    public static final int setThreadPriority(int tid, int priority);
    
    // 获取线程优先级
    public static final int getThreadPriority(int tid);
    
    // 设置线程调度策略
    public static final int setThreadScheduler(int tid, int policy, int priority);
}

4.2 ActivityManager调度控制

public class ActivityManager {
    // 设置进程重要性
    public void setProcessImportant(ComponentName component, int importance);
    
    // 获取内存信息
    public void getMemoryInfo(MemoryInfo outInfo);
}

4.3 线程优先级定义

public class Process {
    // 线程优先级常量
    public static final int THREAD_PRIORITY_DEFAULT = 0;
    public static final int THREAD_PRIORITY_LOWEST = 19;
    public static final int THREAD_PRIORITY_BACKGROUND = 10;
    public static final int THREAD_PRIORITY_FOREGROUND = -2;
    public static final int THREAD_PRIORITY_DISPLAY = -4;
    public static final int THREAD_PRIORITY_URGENT_DISPLAY = -8;
}

5. 调度策略与算法实现

5.1 负载均衡算法

5.1.1 负载均衡触发条件

• 周期性负载均衡(定时器触发)
• 任务唤醒时负载均衡
• CPU空闲时主动拉取任务

5.1.2 负载均衡实现

static int load_balance(int this_cpu, struct rq *this_rq,
                       struct sched_domain *sd, enum cpu_idle_type idle) {
    // 1. 找到最繁忙的调度组
    // 2. 计算需要迁移的负载量
    // 3. 选择要迁移的任务
    // 4. 执行任务迁移
}

5.2 任务唤醒优化

5.2.1 快速路径选择

static int select_task_rq_fair(struct task_struct *p, int prev_cpu,
                              int sd_flag, int wake_flags) {
    // 1. 检查当前CPU是否合适
    // 2. 查找空闲CPU
    // 3. 容量感知CPU选择
    // 4. 缓存亲和性考虑
}

5.2.2 缓存亲和性优化

• SMT(超线程): 优先选择同核心的兄弟CPU
• 共享缓存: 优先选择共享L2/L3缓存的CPU
• NUMA节点: 优先选择本地NUMA节点

5.3 能量感知调度(EAS)

5.3.1 能量模型

struct energy_model {
    struct em_perf_domain *pd;      // 性能域
    unsigned int nr_perf_domains;   // 性能域数量
    unsigned long *power_table;     // 功耗表
};

5.3.2 能量计算

static unsigned long compute_energy(struct task_struct *p, int dst_cpu) {
    // 1. 计算目标CPU的能量消耗
    // 2. 考虑任务迁移的能量开销
    // 3. 选择能量最优的CPU
}

6. 性能监控与调试

6.1 调度统计信息

6.1.1 运行队列统计

struct rq_stats {
    u64 wait_time;                  // 等待时间
    u64 run_time;                   // 运行时间
    u64 idle_time;                  // 空闲时间
    u64 iowait_time;                // I/O等待时间
};

6.1.2 任务调度统计

struct sched_statistics {
    u64 wait_start;                 // 等待开始时间
    u64 sleep_start;                // 睡眠开始时间
    u64 block_start;                // 阻塞开始时间
    u64 sleep_max;                  // 最大睡眠时间
    u64 block_max;                  // 最大阻塞时间
};

6.2 调试接口

6.2.1 proc文件系统

# 查看CPU调度信息
cat /proc/sched_debug

# 查看运行队列信息
cat /proc/schedstat

# 查看CPU负载信息
cat /proc/loadavg

6.2.2 跟踪事件

// 调度相关跟踪点
TRACE_EVENT(sched_switch,
    TP_PROTO(struct task_struct *prev, struct task_struct *next),
    TP_ARGS(prev, next)
);

TRACE_EVENT(sched_wakeup,
    TP_PROTO(struct task_struct *p),
    TP_ARGS(p)
);

6.3 性能分析工具

6.3.1 systrace

# 捕获调度事件
python systrace.py sched freq idle -o trace.html

6.3.2 perf

# 分析调度事件
perf record -e sched:sched_switch -a
perf report

6.3.3 simpleperf

# Android性能分析
simpleperf record -p <pid> -e cpu-clock
simpleperf report

7. 调用流程详解

7.1 任务创建流程

do_fork() → wake_up_new_task() → select_task_rq() → activate_task()

7.2 任务唤醒流程

try_to_wake_up() → select_task_rq() → ttwu_queue() → enqueue_task()

7.3 上下文切换流程

__schedule() → pick_next_task() → context_switch() → switch_to()

7.4 负载均衡流程

load_balance() → find_busiest_group() → detach_tasks() → attach_tasks()

8. 优化技巧与最佳实践

8.1 应用层优化

1. 合理设置线程优先级
2. 使用线程池避免频繁创建销毁
3. 避免主线程阻塞操作
4. 使用JobScheduler处理后台任务

8.2 系统层优化

1. 调整调度参数
2. 优化CPU拓扑配置
3. 配置合适的调度策略
4. 启用能量感知调度

8.3 调试技巧

1. 使用systrace分析调度问题
2. 监控CPU利用率分布
3. 检查负载均衡效果
4. 分析上下文切换频率

9. 总结

Android CPU调度优化是一个复杂的系统工程，涉及硬件、内核、框架多个层次。理解其原理和实现细节，有助于开发高性能、低功耗的应用和系统。

关键要点：

1. 层次化设计: 从硬件到应用的多层优化
2. 算法优化: CFS、PELT、EAS等核心算法
3. 能量感知: 平衡性能与功耗
4. 实时监控: 完善的调试和分析工具
5. 持续优化: 根据使用场景调整策略

通过深入理解这些原理和实现，可以更好地优化Android设备的性能和用户体验。