开学之后，作息一直很局促，喘不过气来
借着高操这门课，应该会把Linux源码好好读一读
今天先借胆来谈一下Linux下的线程调度策略
PS: 以下解析的Linux kernel版本号为4.19.25
Thread schedule
Motivation
首先，为什么要有线程调度这种东西
主要是因为人民日益增长的CPU需求和同落后的I/O速度之间的矛盾
为了不让没准备好的CPU上战场，也为了降低进程之间的通信成本
设计了一套线程状态体系，从三状态，五状态，到七状态
于是因为线程带上了这些状态，就需要根据状态对线程进行一系列的操作
一开始想的挺好的，把线程按状态分堆之后，各个状态应该井然有序的工作
但事实上，随着工业技术的发展，线程数量已经到了一个十分恐怖的数量，
如何公平的调度，更高效的调度，这成为了设计OS的一个难点
传统的线程调度算法有SJF(短作业优先)，SRTN(最短剩余时间优先), HRRN(最高响应比优先), RR(轮转), HPF(优先级)等等
这些算法都有自己的有点，也有自己的缺点
CFS
Linux使用的是带时间片的动态优先级抢占式调度模式, 被称之为公平调度CFS的算法
利用nice值+实时优先级+时间片共同维护线程的优先级
而这个优先级队列，也就是就绪态队列，Linux是用红黑树来维护的
(回想一下Java的CurrentHashMap和Linux kernel的schedule都是维护红黑树，所以DS要学学好呀)
Linux中对nice的处理和Unix不太一样
在Unix中如果有两个同nice值的进程，那么他们都将分配到一半的时间片，一般为5ms的时间，在这段时间内CPU完全属于占用的进程
理想状态下线程调度应该实现均衡划分任务，对待相同优先级的进程应该是共同使用这段时间片10ms，各占有CPU一半的能力
于是Linux就提出公平算法CFS，通过计算所有就绪态进程的需要CPU时间，计算出一个总的CPU需要时间
根据这个CPU时间去尽可能根据各个进程的实际需要来进行分配，而原来在Unix中直接当做优先级的nice值现在用于分配各个进程实际使用权重的标准
其具体的计算公式见右weight = 1024/(1.25^nice)
可以发现，这样的转换能保证各个进程间权重比与nice的差值之间保持一致
这样就能减小原来在Unix中单纯使用nice值进程权重划分造成的权重与nice值绝对大小有较大关系的情况
Souce code
CFS的具体实现细节，需要对Linux kernel的源码进行阅读
通过对Linux kernel4.19.25代码的阅读，发现Linux关于线程调度的代码大致可分为时间记录，进程选择，调度器入口，睡眠唤醒，抢占五部分
其中有关等待态的操作主要针对红黑树进行操作，有关挂起态的主要是链表的操作
时间记录
调度器需要记录当前调度周期内，进程还剩下多少时间片可用。
Linux中的调度器实体class定义于<include/linux/sched.h>文件中。
struct sched_entity {
/* For load-balancing: 负责使得调度尽量均衡的模块 */
struct load_weight load; // 优先级
unsigned long runnable_weight; // 就绪态中的权值
struct rb_node run_node; // 红黑树节点
struct list_head group_node; // 所在进程组
unsigned int on_rq; // 是否在红黑树队列中
u64 exec_start; // 线程开始时间
u64 sum_exec_runtime; // 线程总运行时间
u64 vruntime; // 虚拟运行时间
u64 prev_sum_exec_runtime; // 上个调度周期总运行时间
u64 nr_migrations;
struct sched_statistics statistics;
};
上面的代码中有一项叫做vruntime，直译就是虚拟运行时间，简单的理解可以认为是带权的运行时间，利用一个权值来控制时间的快慢(好像有点恐怖 🐸)
CFS利用vruntime来记录当前进程运行时间以及还需要运行的时间。其源码位于<kernel/sched/fair.c>
/*
* Update the current task's runtime statistics.
*/
static void update_curr(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
struct .sched_entity *curr = cfs_rq->curr;
u64 now = rq_clock_task(rq_of(cfs_rq));
u64 delta_exec;
if (unlikely(!curr))
return;
// 获得最后一次Switch Thread至今耗时
delta_exec = now - curr->exec_start;
if (unlikely((s64)delta_exec <= 0))
return;
curr->exec_start = now; // 更新开始执行时间
schedstat_set(curr->statistics.exec_max,
max(delta_exec, curr->statistics.exec_max));
curr->sum_exec_runtime += delta_exec;
schedstat_add(cfs_rq->exec_clock, delta_exec);
curr->vruntime += calc_delta_fair(delta_exec, curr); // 计算vruntime
update_min_vruntime(cfs_rq);
if (entity_is_task(curr)) {
struct task_struct *curtask = task_of(curr);
trace_sched_stat_runtime(curtask, delta_exec, curr->vruntime);
cgroup_account_cputime(curtask, delta_exec);
account_group_exec_runtime(curtask, delta_exec);
}
account_cfs_rq_runtime(cfs_rq, delta_exec);
}
上述函数计算当前进程的已执行时间，存放于变量delta_exec，然后调用函数calc_delta_fair更新vruntime值
而计算好的vruntime值将会在后面用作FindNextToRun函数的判断。
Next进程选择
选择NextThread是调度算法的核心。在Linux中，通过计算vruntime值来实现CFS算法。
在Linux中利用红黑树来维护可运行进程的队列。红黑树因为其自平衡的特性，在这个变vruntime的场景下特别适用，而且红黑树维护代价，遍历代价都比较低。
在这个红黑树上存储了Linux系统中所有可运行的进程，每个节点的值就是他们的vruntime值，那么这棵红黑树上最小的节点，就是其最左节点。
维护进程等待队列，就是对红黑树进行插入，删除操作
这一部分搜索红黑树寻找最小节点的代码也在<kernel/sched/fair.c>中。
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可以看出其维护了一些规则，比如说以前换出去过的进程优先级比较好，刚入队的进程需要单独比较一下（vruntime值可能还没有更新）。
就绪态进程队列的新增相对于红黑树插入新的节点。这一部分代码位于<kernel/sched/fair.c>的enqueue_entity函数中。
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从上面的代码可以看出queue_entity()函数主要用于更新vruntime，队列信息等等。真正做红黑树插入的逻辑实际上在__queue_entity()函数中。
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和插入相似的还有从队列中删除节点，这个就不再赘述。
调度器入口
Linux在实现进程调度的时候提供了一个统一的调度器入口，在这个入口中选择最高优先级的调度类，每个调度类拥有自己的进程队列，相对于一个多队列调度算法。
关于调度器入口的代码定义在<kernel/sched/core.c>，以优先级为序，依次检查每个调度类中的进程队列。
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睡眠&唤醒
在Linux中进程的挂起态，分为两种，一种是能收到信号signal，一种是忽略signal。和就绪态用红黑树来维护不一样，这里的挂起态队列用一个简单的链表结构来实现。
具体来说是利用wait_queue_head的结构来构造一个等待队列。
struct wait_queue_head {
spinlock_t lock; // 自旋锁保持一致性
struct list_head head;
};
挂起态和就绪态的转换涉及到红黑树出树+链表入队，链表出队+红黑树插入，部分代码和上面所述的就绪态队列维护一致
抢占
Linux的线程调度是可抢占的，在实际操作过程中抢占的现象十分普遍
比如说在Linux系统上开了一个vim编辑器，然后又在后台跑了一个shell命令，因为交互的实时性需要，你在vim中编辑的时候，就发生了抢占现象。
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