4. 调度实体与调度类

在 Linux 内核中，进程调度并非直接操作 task_struct，而是通过两个核心抽象层：调度实体（struct sched_entity） 和 调度类（struct sched_class）。调度实体是调度器眼中的“可调度单元”，调度类则定义了不同调度策略的具体实现。本章将深入剖析这两个结构的设计思想、字段含义以及它们如何构成内核的调度类层次结构。

4.1 调度实体 struct sched_entity

struct sched_entity 是调度器跟踪和管理进程运行时间的基本单位。它被嵌入到 task_struct 中，对于 CFS 调度类，每个进程都有一个对应的调度实体。

4.1.1 核心字段与作用

4.1.2 调度实体与 task_struct 的关系

每个进程的 task_struct 中包含多个调度实体，分别对应不同的调度类：

struct task_struct {
    // ... 其他字段 ...
    struct sched_entity    se;          // CFS 调度实体
    struct sched_rt_entity rt;          // 实时调度实体
    struct sched_dl_entity dl;          // 截止时间调度实体
    // ... 其他字段 ...
};

这种设计使得一个进程可以同时被多个调度类管理，但实际运行时只会使用其中一个调度类（由 task_struct->sched_class 指针决定）。

4.1.3 调度实体的生命周期

• 初始化：在 sched_fork() 中初始化调度实体，设置初始权重和 vruntime。
• 入队：当进程变为可运行状态时，通过 enqueue_task() 将实体插入对应调度类的运行队列。
• 调度：调度器从运行队列中选择 vruntime 最小的实体，通过 context_switch() 切换执行。
• 出队：当进程阻塞或退出时，通过 dequeue_task() 从运行队列中移除。
• 销毁：在进程结束时，释放调度实体相关的资源。

4.2 调度类 struct sched_class

struct sched_class 是 Linux 内核实现多调度策略的核心抽象。它定义了一组函数指针，每个调度类（如 CFS、实时、截止时间）都需要实现这些接口。调度器通过 task_struct->sched_class 指针调用对应调度类的方法，实现多态调度。

4.2.1 调度类接口定义

struct sched_class {
    const struct sched_class *next;  // 指向下一个优先级更低的调度类

    // 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);
    bool (*yield_to_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, bool preempt);

    // 调度选择
    void (*check_preempt_curr)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int flags);
    struct task_struct *(*pick_next_task)(struct rq *rq);

    // 上下文切换
    void (*put_prev_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p);
    void (*set_next_task)(struct rq *rq, struct task_struct *p, bool first);

    // 优先级与时间片
    void (*set_curr_task)(struct rq *rq);
    void (*task_tick)(struct rq *rq, struct task_struct *p, int queued);
    void (*task_fork)(struct task_struct *p);
    void (*task_dead)(struct task_struct *p);

    // 负载均衡
    void (*balance)(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf);
    int  (*select_task_rq)(struct task_struct *p, int cpu, int flags);

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

4.2.2 核心接口说明

4.3 调度类层次结构

Linux 内核按照优先级从高到低，将调度类组织成以下层次结构：

stop_sched_class   →   dl_sched_class   →   rt_sched_class   →   fair_sched_class   →   idle_sched_class
(最高优先级)                                                                    (最低优先级)

4.3.1 各调度类职责

4.3.2 调度类选择流程

当内核需要选择下一个运行进程时，遵循以下流程：

1. 从当前调度类开始：如果当前进程的调度类有可运行进程，优先选择。
2. 遍历 next 指针：如果当前调度类没有可运行进程，通过 next 指针降级到下一个调度类。
3. 递归检查：重复步骤 1-2，直到找到可运行进程或到达 idle_sched_class。
4. 最终保障：如果所有调度类都没有可运行进程，选择 idle 进程。

4.4 调度类与调度实体的协作

调度实体和调度类在运行时紧密协作，共同完成进程调度：

• 调度类负责“算法”：定义如何选择下一个运行进程、如何管理运行队列、如何处理抢占等。
• 调度实体负责“数据”：存储每个进程的调度状态（vruntime、权重、执行时间等），供调度类算法使用。
• 运行队列（rq）作为桥梁：每个 CPU 有一个运行队列，包含多个子队列（cfs_rq、rt_rq、dl_rq），分别由对应的调度类管理。

4.4.1 典型调度流程

// 简化后的调度主路径
static inline struct task_struct *
pick_next_task(struct rq *rq, struct task_struct *prev, struct rq_flags *rf)
{
    const struct sched_class *class;
    struct task_struct *p;

    // 1. 从最高优先级调度类开始尝试
    for_each_class(class) {
        p = class->pick_next_task(rq);
        if (p)
            return p;  // 找到可运行进程
    }

    // 2. 所有调度类都无任务，返回 idle 进程
    return rq->idle;
}

4.5 本章小结