1. 进程调度概述

1.1 进程与线程概念

进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序在某个数据集合上的一次执行活动。每个进程拥有独立的地址空间、文件描述符表、信号处理表等资源。线程是进程内的执行流，是CPU调度的最小单位，同一进程内的线程共享地址空间和大部分资源。

1.2 调度器的作用

进程调度器是内核的核心子系统之一，负责在多个可运行进程之间分配CPU时间，决定下一个获得CPU的进程以及运行多长时间。调度器的设计直接影响系统的吞吐量、响应时间、公平性和功耗。

• CPU 资源分配： 在多个进程间公平分配CPU时间片，避免进程饥饿。
• 上下文切换： 保存当前进程的寄存器、PC、栈指针等状态，恢复目标进程的状态。
• 负载均衡： 在多核系统中，将进程均匀分配到各个CPU核心，最大化并行效率。
• 响应性保障： 对交互式进程（如编辑器、终端）优先调度，降低延迟。
• 功耗管理： 在移动设备中，结合CPU调频策略，在性能与功耗间取得平衡。

1.3 调度策略分类

根据调度目标和应用场景，调度策略可分为以下三大类：

Linux 内核同时支持通用调度和实时调度策略，通过 sched_setscheduler() 系统调用为每个进程指定调度策略：

// Linux 支持的调度策略宏定义（include/uapi/linux/sched.h）
#define SCHED_NORMAL    0   // CFS 通用调度
#define SCHED_FIFO      1   // 实时 FIFO
#define SCHED_RR        2   // 实时轮转
#define SCHED_BATCH     3   // 批处理调度
#define SCHED_IDLE      5   // 空闲调度
#define SCHED_DEADLINE  6   // 截止时间调度（EDF）

1.4 Linux 调度器演进历史

Linux 调度器经历了多次重大重构，每一次演进都针对特定场景的瓶颈进行了优化：

1.5 调度器核心数据结构概览

Linux 调度器的核心数据结构围绕 task_struct 和 sched_class 展开：

// 进程描述符中的调度相关字段（精简）
struct task_struct {
    /* 调度策略与优先级 */
    unsigned int            policy;         // SCHED_NORMAL/FIFO/RR/BATCH/IDLE/DEADLINE
    int                     prio;           // 动态优先级
    int                     static_prio;    // 静态优先级
    int                     normal_prio;    // 常规优先级

    /* CFS 调度实体 */
    struct sched_entity     se;             // CFS 调度实体，包含 vruntime

    /* 实时调度实体 */
    struct sched_rt_entity  rt;             // 实时调度实体

    /* 截止时间调度实体 */
    struct sched_dl_entity  dl;             // DEADLINE 调度实体

    /* 调度类指针 */
    const struct sched_class *sched_class;  // 指向当前使用的调度类
};

// 调度类接口（多态设计）
struct sched_class {
    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);
    void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    struct task_struct *(*pick_next_task)(struct rq *rq);
    void (*put_prev_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
    void (*set_curr_task)(struct rq *rq);
    void (*task_tick)    (struct rq *rq, struct task_struct *p, int queued);
};