"Linux内核完全公平调度器的分析及模拟"
一、引言
操作系统内核调度算法历来是人们改进系统性能的研究热点。作为主流操作系统之一的Linux，它的调度算法几经改进，表现出优异的性能，在越来越多的领域逐渐占据重要地位。纵观Linux调度器的发展，大致经历了三个阶段：最早期的0.11内核中的O(n)调度算法，并一直到2.4内核都没有大的改变；随后在2.6内核中发布了由IngoMolnar设计并实现的O(1)调度器，该调度器与过去调度器相比获得了长足的进步；最后就在2.6.23内核中发布新的完全公平调度器CFS（Completely Fair Scheduler），它采用了与以往调度器完全不同的设计理念，具有革命性的意义。
二、新一代调度器CFS的工作原理
CFS调度器是由HigMolnar设计实现的，在2.6.23内核版本中发布。其设计初衷是让任务更加公平的共享CPU资源。CFS50％的设计可以总结为一句话：CFS在真实硬件上实现了一个“理想精确的多任务CPU”。理想多任务CPU的含意是CPU具有一百分之百的处理能力并且能以相同速率并行运行每一个任务。
三、CFS调度器的主要特性
CFS调度器的主要特性包括三个方面：
1. 模块化的调度器接口
模块化的意思并不是说调度器能够以可加载模块的方式动态添加，而是在内核代码中添加CFS调度器，这是新内核中最为核心的内容，它确保进程公平共享CPU。
2. 组调度
组调度是为了使用户能公平的共享CPU。
3. 数据结构
CFS为每个CPU使用一个按时间排序的红黑树结构。之所以使用红黑树，是因为：红黑树总是平衡的，对红黑树的操作时间复杂度为O(log n)，当进程数少时其性能表现并不差，只有当进程数比较大时才会有一定性能损失，但对其最左边节点的存取可以通过cache来高效实现。
四、CFS调度器的数据结构
CFS调度器的数据结构包括：
1. 红黑树
CFS为每个CPU使用一个按时间排序的红黑树结构。
2. 运行队列
对于每一个运行队列都有一个数据结构来与红黑树相关联，这也是CFS中最为重要的一个数据结构，它就是stmc_tc_fs_esrq。
3. 任务结构
stmc_tc_fs_esrq结构体定义如下：
stmc_tc_fs_esrq {
struct load_weight load_avg;
unsigned long long last_runtime;
struct sched_entity *entity;
struct sched_rt_entity *rt_entity;
struct task_struct *task;
struct rb_node run_node;
struct list_head wakeup_list;
};
五、CFS调度器的模拟
在模拟CFS调度器时，我们可以使用schsim模拟器，该模拟器可以模拟CFS调度器的行为，并且可以根据实际情况进行调整和优化。
六、结论
CFS调度器是Linux内核中的一种全新的调度算法，它能够让任务更加公平的共享CPU资源，并且具有革命性的意义。通过对CFS调度器的分析和模拟，我们可以更好地理解其工作原理和实现机制，并且可以根据实际情况进行调整和优化，从而提高系统的性能和效率。
