4. 虚拟运行时间计算：vruntime 的核心机制

完全公平调度器（CFS）的核心思想是让每个进程都能公平地获得 CPU 时间。为了实现这一目标，CFS 引入了 虚拟运行时间（vruntime） 的概念。vruntime 不是真实的墙上时钟时间，而是经过权重修正后的“加权时间”，它直接决定了进程在红黑树中的排序位置——vruntime 最小的进程被优先调度。

4.1 vruntime 的计算公式

vruntime 的计算公式体现了“权重越大，虚拟时间增长越慢”的公平思想。其基本公式如下：

vruntime += delta_exec * (NICE_0_LOAD / se->load.weight)

其中：

• delta_exec：进程实际运行的物理时间（单位：ns）。
• NICE_0_LOAD：nice 值为 0 时的权重（固定值 1024），作为基准。
• se->load.weight：当前进程调度实体的权重，由 nice 值映射而来。

从公式可以看出：

• 当进程权重 se->load.weight 等于 NICE_0_LOAD（即 nice=0）时，vruntime 的增长速度等于物理时间。
• 当进程权重更大（nice 值更低，优先级更高）时，NICE_0_LOAD / weight 比值小于 1，vruntime 增长变慢，从而获得更多 CPU 时间。
• 当进程权重更小（nice 值更高，优先级更低）时，比值大于 1，vruntime 增长变快，CPU 时间被压缩。

4.2 nice 值与权重映射表

内核维护了一个全局的静态数组 sched_prio_to_weight，用于将进程的 nice 值（范围 -20 到 19）映射为对应的权重值。权重值的设计遵循了 每降低一个 nice 值，CPU 时间增加约 10% 的近似原则。

下表展示了部分关键 nice 值对应的权重：

内核中对应的数组定义（位于 kernel/sched/core.c）如下：

/*
 * Nice 值到权重的映射表。
 * 数组索引为 nice + 20，即 nice=-20 对应索引 0，nice=19 对应索引 39。
 */
const int sched_prio_to_weight[40] = {
 /* -20 */ 88761, 71755, 56483, 46273, 36291,
 /* -15 */ 29154, 23254, 18705, 14949, 11916,
 /* -10 */ 9548,  7620,  6100,  4904,  3906,
 /*  -5 */ 3121,  2501,  1991,  1586,  1277,
 /*   0 */ 1024,   820,   655,   526,   423,
 /*   5 */ 335,    272,   215,   172,   137,
 /*  10 */ 110,     87,    70,    56,    45,
 /*  15 */ 36,      29,    23,    18,    15,
};

4.3 calc_delta_fair() 函数实现

calc_delta_fair() 是 CFS 中计算 vruntime 增量的核心函数。它接收进程的实际运行时间 delta_exec 和调度实体 se，返回经过权重缩放后的虚拟时间增量。

函数实现（位于 kernel/sched/fair.c）如下：

/*
 * delta_exec : 进程实际运行的物理时间（ns）
 * se         : 当前进程的调度实体
 * 返回值     : 虚拟运行时间增量（ns）
 */
static inline u64 calc_delta_fair(u64 delta_exec, struct sched_entity *se)
{
    if (unlikely(se->load.weight != NICE_0_LOAD))
        delta_exec = __calc_delta(delta_exec, NICE_0_LOAD, &se->load);

    return delta_exec;
}

函数逻辑解析：

• 快速路径： 如果进程权重恰好等于 NICE_0_LOAD（nice=0），则直接返回 delta_exec，无需计算。
• 慢速路径： 如果权重不同，则调用 __calc_delta() 进行精确的乘除运算。

__calc_delta() 函数实现了公式 delta_exec * NICE_0_LOAD / weight，并使用了 避免 64 位溢出的技巧：

static u64 __calc_delta(u64 delta_exec, unsigned long weight, struct load_weight *lw)
{
    u64 fact = scale_load_down(weight);  // 将 NICE_0_LOAD 缩放到合适范围
    int shift = 32;
    u64 tmp;

    tmp = (u64)delta_exec * fact;
    if (tmp < (u64)1 << 63) {
        /* 不会溢出，直接乘除 */
        return tmp / scale_load_down(lw->weight);
    } else {
        /* 可能溢出，先右移再乘除 */
        shift--;
        tmp = (u64)delta_exec * (fact >> 1);
        return ((tmp / scale_load_down(lw->weight)) << 1);
    }
}

4.4 vruntime 计算与调度流程

下面的 SVG 图展示了从进程 tick 中断到更新 vruntime，再到红黑树重排的完整流程：

4.5 组调度中的 vruntime 计算

当启用 组调度（Group Scheduling） 时，vruntime 的计算会多一层抽象。每个调度组（task_group）本身也是一个调度实体，拥有自己的 se->load.weight。组内进程的 vruntime 计算不仅受自身 nice 值影响，还受所在组的权重影响。

组调度的 vruntime 计算遵循 层级缩放 原则：

// 组内进程的 vruntime 增量
vruntime += delta_exec * (NICE_0_LOAD / se->load.weight) * (group_weight / total_group_weight)

这种设计确保了：

• 组与组之间按权重比例分配 CPU 时间。
• 组内进程之间按各自 nice 值公平竞争组内的时间份额。
• 组调度对上层透明，CFS 红黑树仍然按 vruntime 排序。

4.6 关键参数与调优建议