2. 进程描述符与调度实体

进程调度是内核最核心的子系统之一。要理解 CFS 调度器与负载均衡，首先必须掌握内核如何描述一个进程、如何抽象调度单位，以及如何通过多态接口组织不同的调度策略。本章从 task_struct 的关键字段出发，逐步深入到调度实体 sched_entity 的结构，最后剖析调度类 sched_class 的接口设计。

2.1 task_struct：进程的完整画像

在 Linux 内核中，每个进程都由一个 task_struct 结构体描述。该结构体定义在 include/linux/sched.h 中，是内核中最大的结构体之一，包含数百个字段。以下是与调度和负载均衡直接相关的关键字段分组。

2.2 sched_entity：CFS 的调度原子

sched_entity 是 CFS 调度器操作的基本单位。每个 task_struct 内嵌一个 se 字段，CFS 不直接操作进程，而是操作调度实体。这使得 CFS 可以统一调度普通进程和调度组（group scheduling）。

// include/linux/sched.h (简化)
struct sched_entity {
    struct load_weight      load;           /* 调度权重 */
    struct rb_node          run_node;       /* 红黑树节点 */
    struct list_head        group_node;     /* 组调度链表节点 */
    unsigned int            on_rq;          /* 是否在运行队列中 */

    u64                     vruntime;       /* 虚拟运行时间 */
    u64                     prev_sum_exec_runtime; /* 上次调度时的总执行时间 */

    u64                     nr_migrations;  /* 迁移次数 */

    struct sched_statistics statistics;     /* 调度统计 */
};

核心字段解析：

• load (权重): 决定进程在 CPU 时间分配中的比例。普通进程的权重由 nice 值映射得到，映射表为 prio_to_weight。
• vruntime (虚拟运行时间): CFS 的核心指标。进程每执行 1 个实际时间单位，vruntime 增加 实际时间 * (NICE_0_LOAD / 当前权重)。CFS 总是选择 vruntime 最小的进程运行。
• run_node: 红黑树节点。所有可运行的 CFS 实体按 vruntime 组织在一棵红黑树中，最左节点即为下一个要运行的进程。

2.3 调度类 (sched_class)：多态调度接口

Linux 内核通过调度类实现不同调度策略的插件化。每个调度类实现一组标准接口，内核通过 task_struct->sched_class 指针调用对应的方法。这种设计使得添加新的调度策略无需修改核心调度代码。

// kernel/sched/sched.h (简化)
struct sched_class {
    const struct sched_class *next;  /* 链表中的下一个调度类 */

    /* 运行队列操作 */
    void (*enqueue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    void (*dequeue_task) (struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    void (*yield_task)   (struct rq *rq);

    /* 进程选择 */
    struct task_struct *(*pick_next_task) (struct rq *rq);

    /* 时钟滴答处理 */
    void (*task_tick)    (struct rq *rq, struct task_struct *p, int queued);

    /* 进程迁移 */
    void (*set_cpus_allowed)(struct task_struct *p, const struct cpumask *newmask);

    /* 负载均衡 */
    unsigned long (*balance) (struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf);

    /* 调试与统计 */
    void (*update_curr) (struct rq *rq);
    unsigned int (*get_rr_interval) (struct rq *rq, struct task_struct *p);
};

核心接口说明：

2.4 三者的协作关系

task_struct、sched_entity 和 sched_class 三者构成了 Linux 调度系统的核心骨架：

1. task_struct 是进程的容器，持有调度所需的所有元数据。
2. sched_entity 是 CFS 调度的原子单位，内嵌于 task_struct，包含权重、vruntime 等调度关键数据。
3. sched_class 提供一组标准接口，task_struct 通过指针引用具体的调度类实现。