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sched_fair 调度：负载权重、虚拟运行时间与最小虚拟时间

news 2025/5/11 15:25:36

在 Linux 的 CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度器） 中，负载权重（Load Weight）、虚拟运行时间（vruntime）、最小虚拟时间（min_vruntime） 是三个核心概念，共同决定了任务的调度优先级和 CPU 时间的公平分配。下面详细解析它们的含义、计算方式及相互关系。

1. 负载权重（Load Weight）

（1）作用

决定任务对 CPU 时间的“占有比例”，权重越高，获得的 CPU 时间越多。
由任务的 nice 值映射而来（nice 值越低，权重越高）。

（2）计算方式

Linux 使用 sched_prio_to_weight 数组将 nice 值（-20 到 19）映射为权重：
```
static const int sched_prio_to_weight[40] = {/* -20 */ 88761, 71755, 56483, ..., 1024, 820, 655, 526, 423, 335, 272
};
```
- nice=0 的权重为 1024（基准值）。
- nice=-20（最高优先级）的权重为 88761，是 nice=0 的 86.5 倍。
- nice=19（最低优先级）的权重为 15，仅为 nice=0 的 1.5%。

（3）对调度的影响

任务运行时间计算：
- 任务实际获得的 CPU 时间 = 调度周期 × (任务权重 / 所有任务权重之和)。
- 例如：若系统有两个任务，权重分别为 1024（nice=0）和 820（nice=1），则 nice=0 的任务获得 1024 / (1024 + 820) ≈ 55.5% 的 CPU 时间。

2. 虚拟运行时间（vruntime）

（1）作用

量化任务的“公平性”，用于在红黑树中排序任务（选择 vruntime 最小的任务运行）。
任务运行时，vruntime 会增长，增长速率与权重成反比（高权重任务增长更慢，低权重任务增长更快）。

（2）计算方式

公式：
```
vruntime += (实际运行时间 Δt) × (NICE_0_LOAD / 任务权重)
```
- NICE_0_LOAD 是 nice=0 的基准权重（1024）。
- 示例：
  - nice=0 的任务运行 10ms：vruntime += 10 × (1024 / 1024) = 10。
  - nice=5（权重=335）的任务运行 10ms：vruntime += 10 × (1024 / 335) ≈ 30.6。

（3）调度决策

CFS 维护一个按 vruntime 排序的红黑树，每次 pick_next_task 选择 vruntime 最小的任务执行。
公平性体现：
- 高权重任务 vruntime 增长慢，能更频繁地被调度。
- 低权重任务 vruntime 增长快，减少 CPU 占用。

3. 最小虚拟时间（min_vruntime）

（1）作用

跟踪 CFS 运行队列（cfs_rq）中所有任务的最小 vruntime，用于：
1. 新任务的初始化：新创建的或唤醒的任务的 vruntime 会被设置为 min_vruntime，避免“饿死”新任务。
2. 跨 CPU 迁移：任务迁移时，vruntime 会根据目标 CPU 的 min_vruntime 调整，维持全局公平。

（2）更新规则

当任务被加入/移除运行队列时，min_vruntime 会更新：
```
min_vruntime = max(min_vruntime, 当前任务的 vruntime);
```
示例：
- 若队列中任务的最小 vruntime 是 1000，新任务的 vruntime=1200，则 min_vruntime 仍为 1000。
- 若新任务的 vruntime=800，则 min_vruntime 更新为 800。

（3）对任务迁移的影响

当任务从一个 CPU 迁移到另一个 CPU 时，其 vruntime 会按目标 CPU 的 min_vruntime 调整：
```
vruntime_new = vruntime_old - min_vruntime_old + min_vruntime_new
```
- 防止任务因迁移获得不公平的优势或劣势。

4. 三者的协同工作流程

场景示例

任务 A（nice=0）和任务 B（nice=5）启动：
- 权重：A=1024，B=335。
- 初始 vruntime 均为 0（或 min_vruntime）。
调度周期 20ms：
- 任务 A 运行：10ms → vruntime += 10 × (1024/1024) = 10。
- 任务 B 运行：10ms → vruntime += 10 × (1024/335) ≈ 30.6。
下一轮调度：
- 任务 A 的 vruntime=10，任务 B 的 vruntime=30.6 → 选择 vruntime 更小的 A 运行。
长期效果：
- 任务 A 获得约 75% CPU 时间，任务 B 获得约 25%（符合权重比例）。

5. 关键数据结构

（1）`task_struct` 相关字段

struct task_struct {struct sched_entity se;      // 调度实体// ...
};struct sched_entity {u64 vruntime;               // 虚拟运行时间struct load_weight load;     // 负载权重（含 weight 字段）// ...
};

（2）`cfs_rq` 运行队列

struct cfs_rq {u64 min_vruntime;           // 当前队列的最小 vruntimestruct rb_root tasks_timeline; // 按 vruntime 排序的红黑树// ...
};

6. 总结

概念	作用	关键影响
负载权重	决定任务获取 CPU 时间的比例	`nice` 值 → 权重 → 时间分配
虚拟运行时间	量化任务的“公平性”并排序	红黑树中选择 `vruntime` 最小的任务
最小虚拟时间	维护全局公平性，处理新任务和迁移	防止新任务饿死，调整迁移任务的公平性