如何理解Linux中的Completely Fair Scheduler(CFS)?

Linux系统在为进程分配CPU时间时，使用 Completely Fair Scheduler(CFS) 算法，该算法的核心思想是给每个进程分配一个公平份额(fair share)的CPU时间，使得所有进程能够公平地使用CPU资源。

当前，Linux系统中绝大部分的进程都是通过CFS来调度，包括了用户态的进程，内核态的进程，甚至是interrupt handling。CFS 调度器是一个O(1)算法，它在任意时刻最多只维护一个优先级队列，因此它的调度开销非常小。与之前的调度算法相比，CFS算法更为公平，并且在多核CPU系统上能够更好地进行调度。

要理解CFS算法，首先需要了解CFS的几个核心概念：

• 运行队列(runqueue)： 运行队列是一个双向链表，其中包含了所有可运行的进程。CFS算法使用一个全局运行队列，称为per-CPU runqueue，每个CPU都有自己的per-CPU runqueue。
• 虚拟运行时(vruntime)： 虚拟运行时是CFS算法用来衡量进程等待CPU时间的一个指标。每个进程都有自己的虚拟运行时，当进程正在运行时，它的虚拟运行时会增加；当进程处于等待状态时，它的虚拟运行时会停止增加。
• 公平份额(fair share)： 公平份额是CFS算法为每个进程分配的CPU时间。每个进程的公平份额由其权重(weight)决定。权重是一个无符号的32位整数，默认为1。权重较大的进程将获得更多的CPU时间。

CFS算法的主要调度过程如下：

1. CFS算法首先会计算每个进程的虚拟运行时。
2. 然后，CFS算法会根据每个进程的虚拟运行时和公平份额来计算每个进程的调度优先级。
3. 调度优先级最高，且不在睡眠状态的进程将被选中运行。
4. 当一个进程运行完毕或被中断时，CFS算法会重新计算所有进程的虚拟运行时和调度优先级，然后选择下一个要运行的进程。

CFS算法的优点包括：

• 公平：CFS算法能够保证每个进程公平地使用CPU资源。
• 高效：CFS算法的调度开销非常小。
• 可扩展：CFS算法能够很好地支持多核CPU系统。

CFS算法的缺点包括：

• 可能会导致饥饿：CFS算法可能会导致某些进程长时间无法获得CPU时间。
• 不适合实时系统：CFS算法不适合实时系统，因为实时系统需要保证某些进程能够在特定的时间内获得CPU时间。

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