CFS基本概念

completely fair scheduler 完全公平调度算法，尽可能使就绪队列中的每个进程占用大致相等的虚拟执行时间。
确保在一定时间段内，当前CPU上所有的就绪进程都会得到至少一次执行。每个进程的虚拟执行时间和进程的权重成正相关，并且能够充分利用CPU资源。

CFS调度对象

用于处理当前CPU上就绪任务中普通进程(优先级在100-130范围内)的调度类。

CFS调度依据

CFS使用进程的虚拟执行时间来作为调度的唯一依据。在相同的实际时间段时，权重越大的进程，虚拟执行时间越小。因此，为了使各个进程的虚拟执行时间大致相等，权重大的进程能够得到更多的执行机会。
为了便于理解使用虚拟执行时间作为调度依据的理由，我们先来看看基于权重划分时间片的调度。
Linux内核中进程调度里时间段是一个动态调整的，其变化可如下函数表示：slice=max{default_slice,default_slice∗NR/5}slice = max \{default\_slice, default\_slice * NR / 5\}slice=max{default_slice,default_slice∗NR/5}
其中, NRNRNR是当前CPU中就绪进程的个数，default_slicedefault\_slicedefault_slice当前的默认值时20ms20ms20ms, 因此，上式又可写成
slice=max{20ms,4∗NR}slice = max \{20ms, 4 * NR \}slice=max{20ms,4∗NR}
将slicesliceslice按照进程的权重划分给每个进程，得到每个进程在当前slicesliceslice内能够执行的最长时间TiT_iTi:
Ti=slice∗Wi∑i=1nWiT_i = slice * \frac{W_i}{\sum_{i=1}^nW_i}Ti=slice∗∑i=1nWiWi
其中，进程的权重和进程优先级是一一对应的，普通进程的优先级范围是[100,139][100, 139][100,139]共40个，Linux内核中定义了一个长度为40的权重数组，详见kernel/sched/core.c:
可根据进程的优先级和nice值获取对应的进程权重， nice值得范围时[−20,19][-20,19][−20,19], 进程的默认优先级是prio是120。index=prio+nice−100index = prio + nice - 100index=prio+nice−100 , 由此可知，当进程处于默认优先级时，权重为1024。nice越小，执行需求越大，优先级数值越低，权重越大。
程序会完全按照划分的时间片执行吗？
考虑如下情形：

等待IO过程中进入阻塞队列
主动让出CPU
被更高优先级进程抢占
此外，并不能保证每个进程时间片结束时一定会有一个时钟中断，会导致时钟中断到来时，程序执行时间已经大于分配到的时间片。也会导致其它进程的实际执行时间小于分配的时间片。
为了解决上述问题，对执行时间大于分配时间片的进程进行惩罚，对执行时间小于分配的时间片进行补贴，实现尽可能的公平调度，CFS引入了虚拟时钟的概念。调度器CFS和各个进程分别有自己的虚拟时钟。

CFS虚拟时钟

进程的虚拟时钟记录了进程已经执行的实际时间对应的虚拟时间。其值可通过下式求得：
VTi=Ti∗1024WiVT_i = T_i * \frac{1024}{W_i}VTi=Ti∗Wi1024
其中，VTiVT_iVTi 是进程iii的虚拟执行时间，TiT_iTi是进程的实际执行时间，显然进程的虚拟执行时间和进程权重成反比。当进程处于默认优先级，且nice值为0时，进程的虚拟执行时间等于实际执行时间。
由于上式包含除法，计算比较耗时，可对上式变形得VTi=Ti∗1024∗232Wi1232VT_i = T_i * 1024 * \frac{2^{32}}{W_i}\frac{1}{2^{32}}VTi=Ti∗1024∗Wi2322321
其中232Wi\frac{2^{32}}{W_i}Wi232可提前算出，详见kernel/sched/core.c。
在实际调度过程中，优先选择虚拟执行时间最小的进程执行。对于同样的实际执行时间来说，进程nice值越低(对CPU的占有欲望越强)->优先级数值越低->执行优先级越高->进程权重越大,就有越多的机会得到执行。

CFS调度过程

假设有三个进程A、B、C，优先级分别为115, 120, 125…
时间片：slice=20msslice = 20msslice=20ms
就绪进程总权重：W总=4480W_总 = 4480W总=4480,
进程A时间片：Ta=13.9330,权重：Wa=3121T_a = 13.9330, 权重：W_a=3121Ta=13.9330,权重：Wa=3121,
进程B时间片：Tb=4.5714,权重：Wb=1024T_b = 4.5714, 权重：W_b=1024Tb=4.5714,权重：Wb=1024,
进程C时间片：Tc=1.4956,权重：Wc=335T_c = 1.4956, 权重：W_c=335Tc=1.4956,权重：Wc=335,
当实际时间经过时间T=1msT=1msT=1ms时，CFS调度器的虚拟时间：
VTcfs=T∗1024∗1W总=T∗1024∗232W总∗1232=0.2286VT_{cfs} = T * 1024 * \frac{1}{W_总} = T* 1024 * \frac{2^{32}}{W_总} *\frac{1}{2^{32}} =0.2286VTcfs=T∗1024∗W总1=T∗1024∗W总232∗2321=0.2286
各进程虚拟时间：
VTa=T∗1024Wa=T∗1024∗2323121∗1232=0.3281VT_a = T * \frac{1024}{W_a} = T * 1024 * \frac{2^{32}}{3121} *\frac{1}{2^{32}} = 0.3281VTa=T∗Wa1024=T∗1024∗3121232∗2321=0.3281
VTb=T∗1024Wb=T∗1024∗2321024∗1232=1VT_b = T * \frac{1024}{W_b} = T * 1024 * \frac{2^{32}}{1024} *\frac{1}{2^{32}} = 1VTb=T∗Wb1024=T∗1024∗1024232∗2321=1
VTc=T∗1024Wc=T∗1024∗232335∗1232=3.0567VT_c = T * \frac{1024}{W_c} = T * 1024 * \frac{2^{32}}{335} *\frac{1}{2^{32}} = 3.0567VTc=T∗Wc1024=T∗1024∗335232∗2321=3.0567

实际时钟	csf的虚拟时钟	进程A的虚拟时钟	进程B的虚拟时钟	进程C的虚拟时钟	备注
0	0	0	0	0	A 优先级最高，先执行
1	0.2286	0.3281	0	0	VTa>VTVT_a > VTVTa>VT, B优先级大于C选择B执行
2	0.4572	0.3281	1	0	VTb>VTVT_b > VTVTb>VT, 选择C执行
3	0.6858	0.3281	1	3.0567	VTc>VTVT_c > VTVTc>VT, 选择A执行
4	0.9144	0.6562	1	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 选择奖励A继续执行
5	1.1430	0.9843	1	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 选择奖励A继续执行
6	1.3716	1.3124	1	3.0567	VTa>VTbVT_a > VTbVTa>VTb, 选择B执行
7	1.6002	1.3124	2	3.0567	VTb>VTVT_b > VTVTb>VT, 选择A继续执行
8	1.8288	1.6405	2	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
9	2.0574	1.9686	2	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
10	2.2860	2.2967	2	3.0567	VTa>VTVT_a > VTVTa>VT, 选择B继续执行
11	2.5146	2.2967	3	3.0567	VTb>VTVT_b > VTVTb>VT, 选择A继续执行
12	2.7432	2.6248	3	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
13	2.9718	2.9529	3	3.0567	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
14	3.2004	3.2810	3	3.0567	VTa>VTVT_a > VTVTa>VT, 选择B继续执行
15	3.4290	3.2810	4	3.0567	VTb>VTVT_b > VTVTb>VT, 选择C继续执行
16	3.6576	3.2810	4	6.1134	VTc>VTVT_c > VTVTc>VT, 选择A继续执行
17	3.8862	3.6091	4	6.1134	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
18	4.1148	3.9372	4	6.1134	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行
19	4.3434	4.2653	5	6.1134	VTa>VTbVT_a > VT_bVTa>VTb, 选择B继续执行
20	4.5720	4.2653	5	6.1134	VTa<VTVT_a < VTVTa<VT, 奖励A继续执行

总结上述过程，进程A 优先级最高，占用最多的时间片执行了约13ms，B执行了5ms, C 执行了2ms. 其中A执行的实际时间小于理想时间片TaT_aTa 下一次会优先执行, B和C执行的实际时间大于理想时间片, 下一轮中会被惩罚，让A优先执行。基于虚拟时钟，让各个进程执行的虚拟时间趋于一致，同时令各个进程的实际执行时间接近划分的理想时间。

CFS数据结构

每个CPU都有一个cfs_rq对象维护着普通进程就绪队列中的总权重，并指向当前运行进程的sched_entity（每个进程的task_struct中有一个sched_entity结构）

CFS调度代码

每次时钟中断会调用scheduler_tick()函数，该函数是调度器的核心。其内部过程如下：
|> tick_handle_periodic // dev->event_handler
|-> tick_periodic
|–> update_process_times // 在时钟中断处理程序中调用，因此后续都处于中断上下文中
|—> scheduler_tick
|----> curr->sched_class->task_tick(rq, curr, 0);
|----> .task_tick = task_tick_fair // 调度器tick函数由时钟中断调用
|-----> entity_tick(cfs_rq, se, queued)
|------> update_curr(cfs_rq); // 更新进程的统计信息
|-------> check_preempt_tick //如果需要，唤醒一个新进程，抢占当前进程(发生在 entity_tick最后)
|--------> 如果需要重新调度（执行时间大于理想的执行时间或虚拟执行时间大于cfs_rq中的最小虚拟执行时间）
|---------> resched_curr(rq_of(cfs_rq)); // 只是确保当前进程的TIF_NEED_RESCHED 标志位被设置(并没有发生进程切换）

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