在现代操作系统中，进程调度是核心功能之一，它决定了哪个进程应当获得CPU时间来执行其任务。Linux内核中的完全公平调度器（CFS）是一个革命性的调度器，由Ingo Molnar设计，并于2004年合并到Linux 2.6.23版本中。CFS的主要目标是为系统中的所有进程提供公平的时间片，同时减少因交互性应用引起的延迟。
CFS采用了许多创新技术来实现这些目标。首先，它使用了一种称为“红黑树”的数据结构来组织可运行的进程。红黑树是一种自平衡二叉查找树，可以保证最坏情况下的操作时间复杂度为O(log n)，其中n是树中节点的数量。这种数据结构允许CFS高效地找到下一个应该运行的进程。
其次，CFS实现了一种称为“虚拟运行时”的概念。每个进程都被赋予一个基于其权重的虚拟运行时，这个值表示该进程的理想运行时间。当一个进程实际运行时，其虚拟运行时会减少；当它被其他进程抢占时，其虚拟运行时会增加。这样，CFS可以确保长时间运行的进程不会饥饿，并且短作业可以得到快速响应。
接下来，让我们通过一段简化的代码示例来了解CFS是如何工作的。这段代码展示了CFS如何选择下一个要运行的进程：
struct rb_node *choose_next_task_fair(struct cfs_rq *cfs_rq)
{
struct rb_node *left = cfs_rq->rb_left;
struct rb_node *right;
while (left->rb_right) {
struct task_struct *task;
int weight, old_weight;
right = left->rb_right;
old_weight = weight = cfs_rq->curr->se.load.weight;
task = rb_entry_rcu(left, struct task_struct, se.avg.rb_node);
if (task_has_rt_policy(task)) {
if (unlikely(weight > task->rt_priority))
goto right;
} else {
if (unlikely(!weight))
goto right;
if (unlikely(old_weight < weight))
goto left;
}
left = left->rb_left;
}
return left;
}
这段代码从CFS的红黑树中选择下一个要运行的进程。函数choose_next_task_fair遍历红黑树，根据进程的虚拟运行时和优先级来决定下一个运行哪个进程。如果当前进程的虚拟运行时用尽或更高优先级的进程可用，则会发生上下文切换。
最后，CFS还引入了组调度的概念，允许进程按组进行调度，这对于多线程应用程序尤其有用。这确保了同一个应用程序的线程可以在同一时间片内运行，减少了线程间通信的开销。
总之，完全公平调度器是Linux内核中的一项卓越创新，它通过一系列精心设计的机制保证了进程之间的公平性和系统的整体效率。随着多核处理器的普及和并发编程模型的发展，CFS将继续在Linux操作系统中发挥着核心作用。
