4.4 Linux调度算法
讨论进程调度原理，进一步探讨具有Linux特色的进程调度程序。
1、调度器类
Linux调度器是以模块方式提供的，其目的是允许不同类型的进程可以有针对性地选择调度算法。这种模块化结构被称为调度器类，它允许多种不同的可动态添加的调度算法并存，调度属于自己范畴的进程。每个调度器都有一个优先级，基础的调度器代码定义在kernel/sched.c文件中，它会按照优先级顺序变量调度类，拥有一个可执行进程的最高优先级的调度器类胜出，去选择下面要执行的那一个程序。
完全公平调度（Completely Fair Scheduling (CFS) Class）是一个针对普通进程的调度类，在Linux中称为SCHED_NORMAL，CFS算法实现定义在kernel/sched_fair.c中。
2、Unix系统中的进程调度
讨论公平调度算法前，必须首先认识传统Unix系统的调度过程。现代进程调度有两个通用的概念：进程优先级和时间片。时间片是指进程运行多少时间，进程一旦启动后有一个默认的时间片。具有更高优先级的进程运行更频繁，而且也会被赋予更多的时间片。在Unix系统上，优先级以nice值形式输出给用户空间。
第一个问题，若要将nice值映射到时间片，必然需要将nice单位值对应到处理器的绝对时间。但将导致进程切换无法最优化进行。例如，假定将默认nice值0分配给一个进程——对应的是一个100ms的时间片；同时再分配一个最高nice值+20给另一个进程——对应的时间片是5ms。接着假定上述两个进程都处于可运行状态。那么默认优先级的进程将获得20/21（100/105）的处理器时间，而低优先级的进程会获得1/21（5/105）的处理器时间。如果运行两个同等低优先级的进程情况将如何。希望它们能各自获得一半的处理器时间，事实上也确实如此。但是任何一个进程每次仅仅只能获得5ms的处理器时间（10ms中各占一半）。也就是说，相比刚才例子中105ms内进行一次上下文切换，现在则需要在10ms内继续进行两次上下文切换。如果是两个具有普通优先级的进程，它们同样会每个获得50%的处理器时间，但是是在100ms内各获得一半。看到这些时间片的分配方式并不很理想：它们是给定nice值到时间片映射与进程运行优先级混合的共同作用结果。事实上，给定高nice值低优先级的进程往往是后台进程，且多是计算密集型；而普通优先级的进程则更多是前台用户任务。这种时间片分配方式和初衷背道而驰。
第二个问题涉及相对nice值，同时和前面的nice值到时间片映射关系也脱不了干系。假设有两个进程，分别具有不同的优先级。第一个假设nice值是0，第二个假设是1。它们将被分别映射到时间片100ms和95ms。它们的时间片几乎一样，其差别微乎其微。但是如果进程分别赋予18和19的nice值，那么它们则分别被映射为10ms和5ms的时间片。如果这样，前者相比后者获得了两倍的处理器时间，不过nice值通常都使用相对值，也就是说：把进程的nice值减少1所带来的效果极大地取决于其nice的初始化值。
第三个问题，如果执行nice值到时间片的映射，需要能分配一个绝对时间片，而且这个绝对时间片必须能在内核的测试范围内。在多数操作系统中，上述要求意味着时间片必须是定时器节拍的整数倍。但这么做必然会引发几个问题。首先，最小时间片必然是定时器节拍的整数倍，也就是10ms或者1ms的倍数。其次，系统定时器限制了两个时间片的差异：连续的nice值映射到时间片，其差别范围多至10ms或者少则1ms。最后，时间片还会随着定时器节拍改变。
第四个问题是关于基于优先级的调度器为了优化交互任务而唤醒相关进程的问题。这种系统中，可能为了进程能更快地投入运行，而去对新唤醒的进程提升优先级，即便它们的时间片已经用尽。虽然上述方法能提升不少交互性能，但是一些例外情况也有可能发生，因为它同时也给某些特殊的睡眠/唤醒用例一个玩弄调度器的后门，使得给定进程打破公平原则，获得更多处理器时间，损害系统中其它进程的利益。
上述问题中的绝大多数都可以通过对传统Unix调度器进行改造解决，虽然这种改造修改不小，但也并非是结构性调整。比如，将nice值呈几何增加的方式解决第二个问题；采用一个新的度量机制将从nice值到时间片的映射与定时器节拍分离开来，解决第三个问题。但这些解决方案都回避了实质问题——即分配绝对的时间片引发的固定的切换频率，给公平性造成了很大变数。CFS采用的方法是对时间片分配方式进行根本性的重新设计：完全摒弃时间片而是分配给进程一个处理器使用比中。通过这种方式，CFS确保进程调度中能有恒定的公平性，而将切换频率置于不断变动中。
3、公平调度
CFS的出发点基于几个简单的理念：进程调度的效果应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，每个进程获得1/n的处理器时间——n为可运行进程的数量。同时，可以调度给它们无限小的时间周期，在任何可测量周期内，给予n个进程中每个进程同样多的运行时间。例如，有两个运行进程，在标准Unix调度模型中，先运行其中一个5ms，再运行另一个5ms。但它们任何一个运行时都将占有100%的处理器。在理想情况下，多任务处理器模型是这样的：能在10ms内同时运行两个进程，它们各自使用处理器一半的能力。
上述理想模型并非现实，因为无法在一个处理器上真的同时运行多个进程。而且如果每个进程运行无限小的时间周期也不是高效的——因为调度时进程抢占会带来一定的代价：将一个进程换出，另一个换入本身有消耗，同时还会影响到缓存的效率。因此虽然希望所有进程能只运行一个非常短的周期，但是CFS考虑了这将带来的额外消耗，实现中首先确保系统性能不受损失。CFS的做法是允许每个进程运行一段时间、循环轮转、选择运行最少的进程作为下一个运行进程，不再采用分配给每个进程时间片的做法。CFS在所有可运行进程总数基础上计算出一个进程应该运行多久，而不是依靠nice值来计算时间片。nice值在CFS中被作为进程获得的处理器运行比的权重：越高的nice值（越低的优先级）进程获得更低的处理器使用权重，这是相对默认nice值进程的进程而言；更低的nice值（越高的优先级）的进程获得更高的处理器使用权重。
每个进程都按其权重在全部可运行进程中所占比例的时间片来运行，为了计算准确的时间片，CFS为多任务中的无限小调度周期的近似值设立一个目标。而这个目标称作目标延迟，越小的调度周期带来越好的交互性，同时也更接近完美的多任务。但是必须承受更高的切换代价和更差的系统总吞吐能力。假定目标延迟值是20ms，有两个同样优先级的可运行任务。每个任务在被其他任务抢占前运行10ms。如果有4个任务，则每个只能运行5ms。如果有20个任务，那么每个仅仅只能获得1ms的运行时间。
当可运行任务数量趋于无限时，各自所获得的处理器使用比和时间片多将趋于0。这造成了不可接受的切换消耗。CFS为此引入每个进程获得的时间片底线，这个底线称为最小粒度。默认情况下这个值是1ms。如此，即便是可运行进程数量趋于无穷，每个最少也能获得1ms的运行时间，确保切换消耗被限制在一定范围内。
具有不同nice值的两个可运行进程的运行情况——比如一个具有默认nice值0，另一个具有的nice值是5。这些不同的nice值对应不同的权重，上述两个进程将获得不同的处理器使用比。绝对的nice值不再影响调度决策；只有相对值才会影响处理器时间的分配比例。
总结：任何进程所获得的处理器时间是由它自己和其他所有可运行进程nice值的相对差值决定的。nice值对时间片的作用而是几何加权。任何nice值对应的绝对时间是处理器的使用比。CFS称为公平调度器是因为它确保给每个进程公平的处理器使用比。CFS只是近乎完美的多任务。但是它确实在多进程环境下，降低了调度延迟带来的不公平性。