3. 虚拟运行时（vruntime）详解

虚拟运行时（vruntime）是 CFS 调度器的核心抽象。CFS 不再使用固定时间片，而是通过 vruntime 衡量每个进程的“虚拟执行时间”，并始终选择 vruntime 最小的进程运行。本节深入解析 vruntime 的计算公式、nice 值与权重的映射关系，以及内核中关键的权重表。

3.1 vruntime 的计算公式

vruntime 的本质是进程实际运行时间经过权重归一化后的结果。其核心计算公式如下：

vruntime += 实际运行时间 * (NICE_0_LOAD / 进程权重)

其中：

• 实际运行时间：进程在 CPU 上真实执行的时间（单位：ns）。
• NICE_0_LOAD：nice 值为 0 时的基准权重（内核定义为 1024）。
• 进程权重：由进程的 nice 值通过权重表映射得到。

公式的直观含义：

• 权重越大的进程（nice 值越小），分母越大，vruntime 增长越慢，从而获得更多 CPU 时间。
• 权重越小的进程（nice 值越大），分母越小，vruntime 增长越快，CPU 时间份额减少。
• 当所有进程的 nice 值都为 0 时，权重均为 1024，vruntime 等于实际运行时间，实现完全公平。

3.2 nice 值与权重映射

Linux 内核使用 nice 值（-20 到 19）来表示进程的优先级。CFS 将每个 nice 值映射到一个权重值，权重决定了进程的 CPU 时间份额。nice 值与权重的映射关系如下：

3.3 权重表（sched_prio_to_weight）解析

内核使用一个预定义的权重表 sched_prio_to_weight 来快速查找 nice 值对应的权重，避免运行时计算。该表定义在 kernel/sched/core.c 中：

/*
 * Nice 值从 -20 到 19 对应的权重数组
 * 数组索引 0 对应 nice = -20，索引 39 对应 nice = 19
 */
static 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,
};

权重表的设计特点：

• 数组长度 40：覆盖 nice 值 -20 到 19 共 40 个优先级。
• 索引映射：索引 i 对应 nice 值 i - 20。例如 nice 0 对应索引 20，权重为 1024。
• 近似等比数列：相邻 nice 值的权重比约为 1.25（即 5/4），保证每级 nice 值带来约 10% 的 CPU 时间差异。
• 对称性：nice 值从 0 到 19 的权重下降速度与从 0 到 -20 的上升速度对称（取倒数关系）。

3.4 权重与 vruntime 的协同工作

CFS 调度器通过以下步骤将权重和 vruntime 结合起来实现公平调度：

1. 进程创建：新进程的 vruntime 初始化为当前运行队列的最小 vruntime（防止新进程抢占过多 CPU）。
2. 时钟中断：每次时钟中断（通常 1ms 或 4ms），更新当前进程的 vruntime。
3. 权重查表：根据进程的 nice 值，从 sched_prio_to_weight 表中获取权重。
4. vruntime 更新：使用公式 vruntime += Δt * 1024 / weight 累加 vruntime。
5. 调度决策：选择红黑树中最左节点（vruntime 最小）的进程运行。

3.5 权重与组调度（CFS Group Scheduling）

CFS 还支持组调度，允许对进程组（如 cgroup）进行整体权重控制。组调度的权重计算方式为：

组权重 = 组内所有进程权重之和
组 vruntime 增量 = Δt * 1024 / 组权重

组调度使得多个进程可以作为一个整体参与 CPU 竞争，适用于容器化环境和多租户系统。组权重同样使用 sched_prio_to_weight 表进行映射，但组的 nice 值通过 cpu.shares 接口配置（默认 1024，对应 nice 0）。