3. vruntime 计算与权重：nice 值到权重的映射表、vruntime 计算公式、load weight 对调度的影响

CFS 调度器的核心思想是“让每个进程公平地获得 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 并非真实的墙上时钟时间，而是经过进程权重加权后的“标准化”时间。权重越高的进程，其 vruntime 增长越慢，从而在调度周期中获得更多的实际 CPU 时间。

3.1 nice 值与权重映射表

在 Linux 中，用户通过 nice 值（范围 -20 到 19）来调整进程的优先级。CFS 调度器内部并不直接使用 nice 值，而是将其映射为一个 权重（weight）。权重决定了进程在调度周期中应占用的 CPU 时间比例。

内核维护了一个全局的映射数组 sched_prio_to_weight，将每个 nice 值映射到对应的权重。权重值的设计遵循了“每提升一个 nice 值，CPU 时间减少约 10%”的经验法则。

nice 值与权重映射表（部分）

3.2 vruntime 计算公式

vruntime 的计算是 CFS 调度器的核心。其基本公式如下：

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 上真实运行的时间（单位：纳秒）。
• NICE_0_LOAD：nice 值为 0 时的基准权重，即 1024。
• 进程权重：由进程的 nice 值通过映射表查得的权重。

从公式可以看出：

• 权重越大的进程（nice 值越低），分母越大，vruntime 增长越慢。
• 权重越小的进程（nice 值越高），分母越小，vruntime 增长越快。

CFS 调度器总是选择 vruntime 最小 的进程来运行，从而确保所有进程在虚拟时间轴上保持“公平”。

vruntime 计算流程

1. 进程被调度到 CPU 上运行。
2. 时钟中断或调度点触发时，记录进程的 实际运行时间。
3. 调用 update_curr() 函数，根据公式更新当前进程的 vruntime。
4. 将更新后的 vruntime 与红黑树中其他进程的 vruntime 进行比较。
5. 如果当前进程的 vruntime 不再是红黑树中最小的，则触发调度，选择新的进程运行。

3.3 load weight 对调度的影响

在 CFS 调度器中，负载权重（load weight） 是一个更广义的概念。它不仅包括进程自身的权重，还考虑了进程所在的调度组（如 cgroup）的权重。负载权重直接影响调度器的以下行为：

• 调度周期计算：调度周期（sched_latency）会根据运行队列的总负载权重进行缩放。总负载权重越大，调度周期可能越长。
• 时间片分配：每个进程在调度周期内获得的时间片与其权重成正比。公式为：时间片 = 调度周期 * (进程权重 / 总负载权重)。
• 负载均衡：在多核系统中，负载均衡器会根据每个 CPU 运行队列的总负载权重，将进程从高负载 CPU 迁移到低负载 CPU。

负载权重对调度的影响示意图

3.4 权重与 vruntime 的交互示例

假设有两个进程 A 和 B，运行在同一个 CPU 上：

• 进程 A：nice = 0，权重 = 1024
• 进程 B：nice = -5，权重 = 3121（约是 A 的 3 倍）

如果两个进程都运行了 10ms 的实际时间：

• 进程 A 的 vruntime 增加：10ms * 1024 / 1024 = 10ms
• 进程 B 的 vruntime 增加：10ms * 1024 / 3121 ≈ 3.28ms

这意味着，在相同的实际运行时间内，高权重进程 B 的 vruntime 增长更慢。CFS 调度器会优先选择 vruntime 更小的进程，因此进程 B 会获得更多的 CPU 时间。

3.5 本章小结