调度器专题规划：从基础到高级的完整路线图（含 sched_ext）

"调度器是操作系统的‘交通警察'，决定 CPU 资源如何分配。
本专题将系统性地剖析调度器设计，从问题定义到算法实现，
并引入类似 Linux sched_ext 的可编程调度框架，
为自制 OS 构建高性能、可扩展、可定制的调度系统。"

专题设计哲学

调度器专题将采用问题驱动、渐进演进、可编程扩展的写作路线：

  • 深度：每篇深入一个调度问题或算法
  • 广度：覆盖从单核到多核、从批处理到实时
  • 实践：提供可运行的简化实现框架
  • 对比：分析不同算法的适用场景

📚 调度器专题：7 篇完整路线图

第一篇：调度基础与设计框架

标题：《调度器-基础篇：CPU 资源分配的核心问题与设计框架》
核心内容：

  • 调度要解决的三大问题：公平性、响应性、吞吐量
  • 调度时机：时钟中断、系统调用、I/O 阻塞
  • 调度框架设计：运行队列、任务状态、上下文切换
  • 调度策略 vs 调度机制分离

✅ 解决："调度器到底要解决什么问题？如何设计可扩展的调度框架？"

第二篇：经典调度算法实现

标题：《调度器-经典篇：实现 FIFO、Round-Robin 与 Multilevel Queue》
核心内容：

  • FIFO（先来先服务）：简单但响应性差
  • Round-Robin（时间片轮转）：公平但开销大
  • Multilevel Queue（多级队列）：I/O 密集 vs CPU 密集
  • 时间片动态调整策略
  • 算法插件化：通过统一接口注册

✅ 解决："如何实现经典调度算法？各有什么优缺点？"

第三篇：多核调度与负载均衡

标题：《调度器-多核篇：SMP 调度与负载均衡策略》
核心内容：

  • 多核调度挑战：缓存亲和性、锁竞争
  • 调度域（Scheduling Domain）设计
  • 负载均衡：空闲核唤醒、忙核迁移
  • CPU 亲和性（affinity）支持

✅ 解决："多核环境下如何高效分配任务？"

第四篇：实时调度算法

标题：《调度器-实时篇：实现 Rate-Monotonic 与 Earliest-Deadline-First》
核心内容：

  • 实时系统分类：硬实时 vs 软实时
  • Rate-Monotonic Scheduling（RMS）：静态优先级
  • Earliest-Deadline-First（EDF）：动态优先级
  • 优先级反转问题与解决方案
  • 实时调度插件：sched_ext 实时扩展

✅ 解决："如何支持实时任务？保证截止时间？"

第五篇：现代调度器设计：CFS 与公平调度

标题：《调度器-现代篇：完全公平调度器（CFS）的核心思想与实现》
核心内容：

  • CFS 核心思想：虚拟运行时间（vruntime）
  • 红黑树管理运行队列
  • 调度周期与最小粒度
  • 组调度（Group Scheduling）
  • CFS 作为 sched_ext 插件

✅ 解决："CFS 如何实现‘完全公平'？为什么成为 Linux 默认调度器？"

第六篇：可编程调度：sched_ext 框架设计

标题：《调度器-sched_ext 篇：构建可编程调度框架》
核心内容：

  • sched_ext 核心思想：用户态调度策略 + 内核态调度机制
  • eBPF-like 调度程序：用安全字节码定义调度逻辑
  • 调度事件钩子：enqueue/dequeue/pick_next_task
  • 性能隔离：调度程序资源限制
  • 自制 OS 的简化 sched_ext 实现

✅ 解决："如何让调度策略可编程？用户态如何定义调度逻辑？"

第七篇：调度器高级特性

标题：《调度器-高级篇：节能调度、NUMA 亲和性与容器支持》
核心内容：

  • 节能调度：CPU 频率调节、核休眠
  • NUMA 亲和性：本地内存优先
  • 容器支持：cgroups 资源限制
  • 调度器调试与性能分析
  • sched_ext 高级用例：AI 驱动的调度策略

✅ 解决："现代调度器如何支持高级企业特性？"

🔑 专题设计亮点

1. sched_ext 创新点

  • 第六篇专门讲解可编程调度
  • 前五篇算法均可作为 sched_ext 插件实现
  • 自制 OS 的简化版：用 C 函数指针替代 eBPF

2. 问题驱动

每篇从实际调度问题出发：

  • "如何保证交互式任务响应快？"
  • "多核下如何避免缓存颠簸？"
  • "实时任务如何保证截止时间？"
  • "用户如何自定义调度策略？"

3. 渐进演进

  • 单核 → 多核
  • 简单算法 → 复杂算法
  • 固定策略 → 可编程策略

4. 实践导向

  • 每篇包含可运行的简化实现
  • 提供性能测试方法
  • 给出适用场景建议

📌 sched_ext 在自制 OS 中的简化实现

核心设计：

  • 调度策略：用户态 C 函数（注册到内核）
  • 调度机制：内核提供事件钩子
  • 安全：通过函数指针调用，无 JIT

数据结构：

// sched_ext.h
struct sched_ext_ops {
    void (*enqueue_task)(struct task *task);
    void (*dequeue_task)(struct task *task);
    struct task *(*pick_next_task)(void);
    void (*task_tick)(struct task *task);
};

// 注册调度策略
int register_sched_policy(const char *name, struct sched_ext_ops *ops);

使用示例：

// user/sched_rr.c
static void rr_enqueue(struct task *task) {
    // Round-Robin 入队逻辑
}

static struct task *rr_pick_next(void) {
    // Round-Robin 选择下一个任务
}

static struct sched_ext_ops rr_ops = {
    .enqueue_task = rr_enqueue,
    .pick_next_task = rr_pick_next,
};

// 注册到内核
int main() {
    register_sched_policy("round_robin", &rr_ops);
    return 0;
}