一、概述

　　决定何时、如何选择一个新进程运行的这组规则叫做：调度策略（scheduling policy）。

　　Linux的调度是基于分时技术（time sharing）：多个进程以“时间多路复用”方式运行，因为CPU的时间呗分成“片”（slice），给每个可运行进程分配一片。如果当前运行进程的时间片或时限（quantum）到期时，该进程还没有运行完毕，进程切换就会发生。

　　调度策略也是根据进程的优先级对它们进行分类。在Linux中，进程优先级是动态的：在较长时间内没有运行的进程，会动态提升它们的优先级；相反地，对于在CPU上运行较长时间的进程，会降低它们的优先级来惩罚它们。

　　所以，实现调度的工具是调度器（scheduler），调度的对象是进程(process)，调度的方法是调度策略（包括调度算法）。

二、CPU调度器

这里主要讲了cpu调度器的工作内容和目的：

多个task会共享CPU资源
那如何进行任务切换选择呢？

- 当前运行的task中止
- 当前运行的task sleep（wait event）
- 新task创建，或者sleep的task唤醒了
- 当前运行的task的时间片用完

那调度器的目标是什么？

公平调度各个task
基于task的优先级来分配时间片
task的respnse时间短
高throughput（task执行成功）
在多个cpu间，负载均衡
低功耗
调度器代码运行开销低

调度器会和工作在一些框架、服务器、PC、嵌入式/手机中。

三、O（1）调度器

在2.6.23(2007)以前，Linux调度器使用的是O（1）调度器：

调度器分140个优先级等级：0-99是RT task，100-139是User task
每个cpu的runqueue有2个数组：Active，Expaired
每个数组都有140个entry，对应每个优先级
每个entry是一条FIFO队列结构的链表
140位的bitmap用来检测每个优先级list
时间片会根据task的优先级进行分配
运行时间expaire的task会从Active数组移动到Expaired数组
当Active数组为空时，就交换2个数组。即，将Expaired数组变为Active；Active（此时为空）变为Expaired
task的入rq和出rq，以及next task的选择都是在固定时间内完成

最后在O（1）调度器已经被CFS替代。

四、当前调度器架构

在kernel 2.6.23(2007)后，由Ingo Molnar引入
在调度的class中，还存在调度policy
不同的调度class，高优先级的，越早执行
task可以在cpu、调度policy、调度class间进行迁移

4.1 调度class

由struce sched_class结构体实现：

struct sched_class {
    const struct sched_class *next;
    void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
...
    struct task_struct * (*pick_next_task) (struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf);
...
};

内核中一共有5中调度class，优先级从高到低：STOP > DL > RT > CFS > IDLE，他们通过链表实现，并链接起来的。

4.2 主调度函数Schedule()

内核中进程调度，最主要的实现是Schedule()函数。它完成如下工作：

选取下一个runnable的task，并将task放在cpu上运行
按class优先级搜索task来运行，最先从STOP class开始
轮询搜索：for_each_class()
实现方式：pick_next_task()：

again:
    for_each_class(class) {
        p = class->pick_next_task(rq, prev, rf);
        if (p) {
            if (unlikely(p == RETRY_TASK))
                goto again;
            return p;
        }
    }

    /* The idle class should always have a runnable task: */
    BUG();

4.3 调度class与policy

在不同的调度class下，可能会有不同的调度policy实现：

● Stop
　　○ No policy
● Deadline
　　○ SCHED_DEADLINE
● Real Time
　　○ SCHED_FIFO
　　○ SCHED_RR
● Fair
　　○ SCHED_NORMAL
　　○ SCHED_BATCH
　　○ SCHED_IDLE
● Idle
　　○ No policy

不同的class代表不同的调度优先级；不同的policy同样也意味着不同的调度方式。

4.4 调度class：STOP

STOP类型的class有如下特点：

是最高优先级的class（但是这个class不开放给系统user使用的）
只能在smp系统上可用（stop_machine()在单核处理器下不可用）------括号内的具体没怎么理解
可以抢占所有task，并任何事件都不能抢占它
实现方式是：停止运行的其他所有task，而在cpu上运行一个特定的函数
没有调度policy
属于stop class的per cpu内核线程：migration/N ------“N”为cpu core number
在以下情况下使用：task迁移、CPU hotplug、RCU、ftrace、cloclevents等

4.5 调度class：Deadline（DL）

Deadline类型的class有如下特点：

在kernel 3.14(2013)，由Dario Faggioli & Juri Lelli引入
在系统中，属于可以使用的最高优先级的class
调度policy为SCHED_DEADLINE
由红黑树结构实现（自平衡树）
在以下情况下使用：周期性的实时task，例如：视频编解码

4.6 调度Real-time（RT）

Real-time类型的class有如下特点：

符合POSIX标准要求
task优先级范围：0-99
优先级在kernel和userspace中相反：0在kernel中，代表最高优先级；而在userspace中代表最低优先级
相同优先级下的调度policy：
- SCHED_FIFO
- SCHED_RR，默认时间片长度为100ms
由链表实现
在以下情况下使用：latency敏感的task，例如：IRQ threads

4.7 调度CFS（Completely Fair Scheduler）

CFS类型的class有如下特点：

由Ingo Molnar引入
调度policy：
- SCHED_NORMAL：普通task
- SCHED_BATCH：批处理 task（batch task，非交互型）
- SCHED_IDLE：低优先级task
由红黑树结构实现
跟踪task的虚拟运行时间（vruntime，task拥有的运行时间）
虚拟运行时间（vruntime）最短的task，最优先运行
task的优先级作为权重，会影响虚拟运行时间的计算（vruntime）
权重越大，虚拟运行时间（vruntime）计算时的增量就越小
task的优先级计算：120+nice值（nice范围：-20 ~ +19）
用于所有其他类型的task，例如：shell

4.7 调度Idle

Idle类型的class有如下特点：

最低优先级的调度class
没有调度policy
属于idle class的per cpu内核线程（idle）：swapper/N ------“N”为cpu core number
idle线程仅会在没有其他task的情况下，在cpu上运行
idle线程可以让cpu进入低功耗状态

五、Runqueue

每个CPU都由一个struct rq的实例
每个”rq“包含了DL、RT、CFS的runqueue
Runnable的task会被压入上面提到的那些runqueue中
在struct rq中由很多其他的信息和状态

struct rq {
...
    struct cfs_rq cfs;
    struct rt_rq rt;
    struct dl_rq dl;
...
}

Linux内核进程调度overview(1)