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LinuxCFS调度算法分析
一、引言
调度算法是操作系统中的重要内容之一，是为了合理地分配系统资源，提高系统性能而设计的，本文将对LinuxCFS调度算法进行分析。
二、LinuxCFS调度算法概述
CFS（CompletelyFairScheduler）是Linux内核中的一种调度算法。它是以最大化系统整体性能为目标，通过公平（fairness）地分配CPU时间片段（timeslice）实现的。
CFS采用了红黑树（red-blacktree）作为进程控制块（PCB）的等待队列，使用小根堆（min-heap）实现的时间轮（timewheel）来实现时间事件。CFS还使用了虚拟时钟（virtualclock）和虚拟运行时间（virtualruntime）来实现公平性。
虚拟时钟：每个进程都有一个虚拟时钟，它是这个进程运行时间的估计值。这个虚拟时钟是根据系统启动时间和进程运行时间计算出来的。
虚拟运行时间：对于一个进程的每个CPU时间片段，CFS会记录这个进程使用的时间片段的长度。CFS将这些时间片段的长度累加起来就是进程的虚拟运行时间。
CFS的原理是为每个进程维护一个累加的虚拟运行时间，这个时间会在进程在CPU上执行时不断增加。CFS通过计算出进程的虚拟运行时间占全部进程的总虚拟运行时间的比例，然后将CPU时间片段分配给最需要CPU时间的进程。这个算法保证了CPU时间是尽可能地分配给每个进程的，从而尽可能地提高系统的整体性能。
三、LinuxCFS调度算法的具体实现
CFS在处理进程就绪队列时采用了一种红黑树数据结构来维护进程的就绪顺序。每一个进程都对应着一颗红黑树的节点。红黑树的根结点是虚拟时钟值最小的进程节点，而虚拟时钟越大的进程节点在红黑树上越靠近根结点所代表的进程节点。这一红黑树数据结构是用来维护进程之间的优先级。
CFS调度器采用了一个单调递增的虚拟时钟（virtual_clock）来度量每一个进程在CPU上已经使用了多少时间片。在某个时间点CPU分配的时间片的长度是delta。那么，当进程在CPU上运行了delta的时间后，它的虚拟时钟值就会增加delta。虚拟时钟的值能够反映当前进程等待了多长时间。与此相对，CFS还为了每个进程计算了一个时间片（sched_entity->vruntime），它记录了当前进程自开始运行以来占用CPU时间的量。
如何为CFS调度器的当前进程选择时间片长度？首先，CFS计算出所有就绪进程的虚拟运行时间总和，我们把它称作s.接下来，CFS遍历整个进程就绪队列，对于每个进程i，它的虚拟运行时间为vi，其在就绪队列中的优先级为pi。CFS会为进程i分配的时间片delta计算如下：
delta=weight*bandwidth/pi
其中，weight代表了每个进程能获得多少CPU时间，bandwidth指定了一个时间段内长期使用CPU的进程可以获得CPU时间的比率（即CPU带宽）。在这个公式中，进程等待时间越久，优先级越高，获得的时间片越长。这是一个最公平的算法，对于任何CPU，每个进程的分配都是公平的，只要它们等待了一段时间。
四、优缺点
CFS调度器的优点在于它提供了最佳的性能，最大化了系统的整体性能。CFS调度器可以保证尽可能多的进程获得短暂的CPU时间片，从而保证了系统的响应性和并发性。CFS调度器还能避免操作系统陷入死锁，保证了进程的公平性，所有进程都有机会获得CPU时间。因此，CFS是Linux中最先进的调度算法之一。
然而，CFS调度器并不适用于实时性要求高的系统，因为CFS调度器主要关注的是系统的整体性能而非某些进程的实时性。在实时要求高的系统中，更应该采用其他的调度算法。此外，CFS调度器的性能在大型系统中下降明显。因为大型系统中进程数量众多，计算每个进程的虚拟运行时间需要大量的CPU时间，而且CFS调度器需要维护多个红黑树（每个CPU一个），这样会占用更多的内存和CPU时间。
五、总结
本文对LinuxCFS调度算法进行了深入分析，包括其基本原理和具体实现方法。尽管CFS调度器有许多优点，但它并不适用于实时性要求高的系统，而且在大型系统中性能下降明显。因此，在使用CFS调度器时，需要根据具体情况进行评估和调整。