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CFS 的调度类型：普通调度 vs 组调度

news 2025/11/2 18:14:34

在Linux的完全公平调度器（CFS）中，普通调度（默认模式）和组调度（Group Scheduling）是两种互补的任务组织方式，主要区别在于资源分配的层次结构和公平性控制的范围。以下是它们的对比与实现细节：

1. 普通调度（默认CFS）

核心思想：以**单个任务（task）**为调度单位，所有任务在统一的公平队列（cfs_rq）中竞争CPU时间。
关键特性：
- 公平性目标：通过虚拟运行时（vruntime）保证每个任务获得平等的CPU时间比例（权重调整除外）。
- 权重（nice值）：通过task_struct->se.load权重区分任务优先级（nice -20到19）。
- 调度单位：每个任务独立计算vruntime，红黑树中选择最小vruntime的任务运行。
局限性：
- 若某用户或进程组启动大量任务，会挤占其他用户/组的资源（如用户A运行100个进程，用户B运行1个进程，B可能被“饿死”）。

2. 组调度（CFS Group Scheduling）

核心思想：引入**任务组（task_group）**作为调度单位，实现层级公平性（Hierarchical Fair Scheduling）。
关键特性：
- 层级化调度实体：
  - 每个任务组拥有自己的cfs_rq和调度实体（sched_entity），组内任务共享组的vruntime。
  - 组之间按权重分配CPU，组内再按任务权重分配（双层公平）。
- 控制组（cgroups）集成：通过cpu控制器（如cpu.shares）动态调整组权重。
- 资源隔离：防止单个用户或容器垄断CPU。

实现示例：

# 创建CPU控制组并设置权重
mkdir /sys/fs/cgroup/cpu/groupA
echo 512 > /sys/fs/cgroup/cpu/groupA/cpu.shares  # 默认1024，groupA获得50% CPU

优势场景：
- 多用户系统（如云服务器）中保障用户间公平性。
- 容器化环境（Docker/Kubernetes）中限制容器的CPU配额。

3. 对比总结

特性	普通调度	组调度
调度单位	单个任务（`task_struct`）	任务组（`task_group`）
公平性层次	全局任务间公平	组间公平 + 组内任务公平
资源控制	仅通过`nice`调整任务权重	通过cgroups控制组权重（`cpu.shares`）
适用场景	单用户桌面环境	多租户服务器、容器集群
红黑树组织	全局一棵`cfs_rq`红黑树	每个组维护独立的`cfs_rq`树

4. 底层实现关键点

组调度的数据结构：

task_group结构体包含组的cfs_rq和se（调度实体）。
任务组的se会被加入父组的cfs_rq，形成层级树。

// 内核结构示例（简化）
struct task_group {struct cfs_rq cfs_rq;      // 组自己的CFS运行队列struct sched_entity se;    // 组作为调度实体unsigned long shares;      // 权重（通过cpu.shares设置）
};

调度决策流程：
- 从根cfs_rq开始，递归选择vruntime最小的组或任务。
- 组间选择依赖组的se.vruntime，组内选择任务的se.vruntime。
权重分配公式：
- 组间CPU比例 = group.shares / parent.shares_sum。
- 组内任务CPU比例 = task.load / group.load_sum。