3. Linux CPU 调度器基础：CFS、调度域与 CPU 亲和性

在深入 containerd 的 CPU 管理策略之前，必须理解底层 Linux 内核的 CPU 调度机制。容器本质上是进程组，其 CPU 资源分配完全由内核调度器决定。本章聚焦于完全公平调度器（CFS）、调度域与调度组，以及 CPU 亲和性（affinity）这三个核心概念，它们是后续绑核调优的理论基石。

3.1 完全公平调度器（CFS）

CFS（Completely Fair Scheduler）自 Linux 2.6.23 起成为默认调度器，其设计哲学是“让每个进程都能公平地获得 CPU 时间”。CFS 摒弃了传统的时间片轮转，引入虚拟运行时间（vruntime）概念。

• 虚拟运行时间（vruntime）：每个进程的 vruntime 根据其实际运行时间和优先级加权计算。CFS 总是选择 vruntime 最小的进程来运行，确保所有进程在宏观上获得等比例的 CPU 时间。
• 红黑树（Red-Black Tree）：CFS 使用红黑树来组织就绪队列。vruntime 作为键值，树的最左节点即为下一个要运行的进程。插入和查找操作的时间复杂度为 O(log n)，高效支持大量进程。
• 调度周期与最小粒度：CFS 通过 sched_latency_ns（调度延迟）和 sched_min_granularity_ns（最小粒度）控制调度频率。默认调度延迟为 6ms，最小粒度为 0.75ms，确保交互式进程的响应性。

3.2 调度域与调度组

现代服务器通常采用 NUMA（非统一内存访问）架构，CPU 和内存被划分为多个节点。调度域（Scheduling Domain）是内核为管理 NUMA 拓扑而引入的层级结构，调度组（Scheduling Group）则是域内的基本调度单元。

调度域的核心作用是实现负载均衡。内核定期在域内各调度组之间迁移进程，使各组负载趋于均衡。每个调度组包含一组 CPU，组内进程共享该组资源。容器绑核时，若未指定 NUMA 节点，调度器可能将容器进程迁移到远端节点，导致内存访问延迟增加。

3.3 CPU 亲和性（Affinity）

CPU 亲和性决定进程可以在哪些 CPU 上运行。Linux 提供两种亲和性控制机制：软亲和性（通过调度器倾向性）和硬亲和性（通过 CPU 掩码强制绑定）。

• 软亲和性（Soft Affinity）：调度器倾向于将进程留在上次运行的 CPU 上，利用 CPU 缓存热度。这是默认行为，但调度器可能因负载均衡而迁移进程。
• 硬亲和性（Hard Affinity）：通过 sched_setaffinity() 系统调用设置 CPU 掩码（cpumask），强制进程只能在指定 CPU 上运行。容器绑核即采用此机制。

CPU 掩码通常以十六进制表示，例如 0x0F 表示 CPU 0~3。在 containerd 中，绑核通过 cpuset cgroup 控制器实现，其核心文件为 cpuset.cpus 和 cpuset.mems。

# 查看进程当前 CPU 亲和性
taskset -p <PID>

# 设置进程绑定到 CPU 0-3
taskset -p 0x0F <PID>

# 通过 cgroup v2 设置容器绑核
echo "0-3" > /sys/fs/cgroup/<container-path>/cpuset.cpus
echo "0" > /sys/fs/cgroup/<container-path>/cpuset.mems

3.4 核心概念关系图

下图展示了 CFS、调度域与 CPU 亲和性在容器调度中的协作关系：

3.5 调度域拓扑示例

以下 SVG 展示了一个双路 NUMA 服务器的调度域层级结构，帮助理解容器绑核时的拓扑选择：

3.6 关键参数速查表