LinuxCFS模型：完全公平调度的奥秘 在现代多任务操作系统中，进程调度器扮演着至关重要的角色

    它负责合理分配CPU时间，确保所有进程能够高效、公平地运行

    Linux作为广泛使用的开源操作系统，其内核中的调度器经历了多次优化和改进，其中完全公平调度器（CFS，Completely Fair Scheduler）自Linux 2.6.23版本引入以来，一直是默认的调度器

    本文将深入探讨LinuxCFS模型的工作原理、设计思路及其在现代操作系统中的重要性

     一、CFS的基本原理与设计目标 CFS的核心目标是提供一个可伸缩、低开销、公平的调度策略，适用于各种工作负载，包括交互式应用和批处理任务

    CFS的设计基于一个简单的理念：进程调度的效果应该如同系统具备一个理想中的完美多任务处理器，在这种系统中，每个进程能够获得1/n的处理器时间（n为可运行进程数）

    然而，这种理想模型并不现实，因为无法在一个处理器上真正同时运行多个进程

    因此，CFS采用了一种更为实际的策略，允许每个进程运行一段时间，然后循环轮转，选择运行最少的进程作为下一个运行进程

     CFS定义了一种新的调度模型，它给cfs_rq（CFS的运行队列）中的每一个进程安排一个虚拟时钟，即vruntime（虚拟运行时间）

    如果一个进程得以执行，随着时间的增长（即一个个tick的到来），其vruntime将不断增大

    而调度器总是选择vruntime跑得最慢的那个进程来执行，这就是所谓的“完全公平”

     二、vruntime与权重 在CFS中，vruntime是一个抽象的概念，它模拟了如果所有任务在相同时间内以相同速率运行时的累计运行时间

    vruntime较高的任务会被认为已经获得了更多的CPU时间，因此会被推后执行

    CFS通过红黑树这种数据结构来维护所有任务的vruntime，确保调度器可以快速选择具有最小vruntime的任务运行，从而实现CPU时间的公平分配

     为了区别不同优先级的进程，CFS引入了权重的概念

    权重与进程的nice值之间有一一对应的关系，nice值越小，优先级越高，权重越高

    CFS通过权重来调整任务的vruntime，以确保低优先级（nice值较高）的任务不会长时间被高优先级任务饿死

    具体来说，优先级高的进程vruntime增长得慢，所以它可能得到更多的运行机会

     三、红黑树与调度决策 红黑树为CFS提供了一个高效的、自平衡的、有序的任务队列，这对于实现公平且响应迅速的进程调度至关重要

    在CFS中，每个进程或调度组都对应一个调度实体（sched_entity），每个调度实体都与CFS运行队列建立联系

    每次进行CFS调度时，都会在CFS运行队列的红黑树中选择一个vruntime值最小的进程来执行

     CFS通过调用_pick_next_entity()函数来寻找红黑树最左叶子结点，即最小vruntime值的进程

    这个函数本身并不会遍历整个红黑树来寻找最左叶子结点，而是直接利用红黑树的性质，从缓存的最左叶子结点值中获取结果，从而节省时间

     四、负载均衡与CPU亲和性 CFS还通过周期性地执行负载均衡操作，确保任务在多个CPU之间尽可能均匀地分布，以提高系统的整体性能

    负载均衡主要是通过调度域（scheduling domains）和调度组（sched_groups）来实现

    调度域是一种层次结构，它们允许将相关的任务组合在一起，以便在一组特定的CPU上进行调度

    调度组则是调度域的一部分，它们将CPU分组，以便在这些CPU上进行任务的调度

     此外，CFS还考虑了CPU亲和性（CPU Affinity），即尽量将任务分配到它们偏好的CPU上，同时仍然保持整体的负载均衡

    这有助于提高缓存命中率，因为任务更有可能在它们最近访问过的CPU上运行

     五、CFS的调度策略与可调整性 Linux支持多种进程调度策略，其中CFS主要负责处理普通用户任务（SCHED_OTHER和SCHED_BATCH）的调度

    SCHED_NORMAL（或称SCHED_OTHER）是标准的CFS调度策略，适用于大多数用户级交互式任务

    采用此策略的任务将根据其nice值获得相应的CPU时间份额，nice值越低，权重越高，从而获得更多的CPU时间

    SCHED_BATCH则适用于不需要交互的批处理任务，如计算密集型任务，它允许任务运行更长的时间，以更有效地利用CPU缓存

     CFS还提供了一些可调整的参数，允许管理员根据系统的具体需求调整调度器的行为

    例如，/sys/kernel/debug/sched/base_slice_ns参数用于调整CFS的基本时间片长度；/proc/sys/kernel/sched_latency_ns参数用于设置调度器的延迟目标；/proc/sys/kernel/sched_min_granularity_ns和/proc/sys/kernel/sched_wakeup_granularity_ns参数则分别用于设置调度器操作的最小粒度和唤醒负载均衡的粒度

     六、CFS在现代操作系统中的重要性 CFS的引入标志着Linux内核调度器的一大进步

    它通过减少不必要的上下文切换和优化调度决策过程来提高系统性能

    CFS会尝试避免频繁地在任务之间切换，以减少上下文切换的开销，并确保高优先级的任务能够迅速获得CPU时间，即使在系统负载很高的情况下也能保持良好的响应性

     此外，CFS还支持组调度（group scheduling），允许将一组相关的进程组合在一起进行调度，以实现更好的资源隔离和性能优化

    这对于运行多个独立应用或服务的服务器系统尤为重要

     总的来说，CFS以其公平、高效、可伸缩的设计理念，成为了现代多任务操作系统中不可或缺的组成部分

    它不仅满足了普通用户任务对CPU时间公平分配的需求，还通过负载均衡、CPU亲和性等机制提高了系统的整体性能和响应速度

    随着技术的不断发展，CFS将继续在Linux内核中发挥重要作用，为广大用户提供更加流畅、高效的操作体验