Linux 进程调度机制

面试高频指数：中 调度器决定哪个线程在哪个 CPU 上运行，理解 CFS 与 Android 的线程优先级映射，是排查卡顿与功耗问题的底层能力。

1. 调度器是什么

调度器（Scheduler）
内核中决定"哪个就绪线程获得 CPU"的组件

调度对象：线程（Thread/Task）
调度目标：
① 公平性：每个线程都有机会运行
② 响应性：交互线程及时响应
③ 吞吐量：充分利用 CPU
④ 低延迟：减少切换开销

2. CFS 调度器

2.1 基本思想

CFS（Completely Fair Scheduler，完全公平调度）
Linux 2.6.23 起默认

核心思想：按权重分配 CPU 时间
- 每个线程有权重（weight，由 nice 决定）
- 维护虚拟运行时间（vruntime）
- 总是选择 vruntime 最小的线程运行
- 用红黑树（rbtree）组织就绪队列

vruntime 计算：
vruntime += 实际运行时间 * (NICE_0_LOAD / weight)

权重越高（nice 越小）→ vruntime 增长越慢 → 运行机会越多

2.2 nice 与优先级

nice 值	权重	说明
-20	88761	最高优先级
-10	3451	高
0	1024	默认
10	305	低
19	15	最低

nice 范围：-20 ~ 19（默认 0）
nice 越小 → 权重越大 → 分得 CPU 越多

注意：nice 只影响 CFS 内的相对权重，
不影响实时调度（SCHED_FIFO/RR）。

3. 调度策略

3.1 Linux 调度策略

策略	用途	抢占
SCHED_NORMAL（CFS）	普通线程	可抢占
SCHED_BATCH	批处理	较少抢占
SCHED_IDLE	低优先级	基本不抢占
SCHED_FIFO	实时（先进先出）	不按时间片
SCHED_RR	实时（轮转）	时间片轮转

实时调度（SCHED_FIFO/RR）：
- 优先级 1-99（高于普通线程）
- FIFO：直到主动让出/阻塞
- RR：时间片轮转
- Android 音频等实时场景使用

3.2 Android 中的调度应用

Android 调度相关：
- 渲染线程（RenderThread）：高优先级
- 主线程：正常优先级（可调整）
- 音频线程：实时调度（SCHED_FIFO）
- binder 线程：普通

卡顿排查：
- 优先级被压低（后台任务）
- 被实时线程抢占
- 调度延迟（sched_wakeup 延迟）

4. Android 线程优先级映射

4.1 应用层设置

// Java 层设置线程优先级
Thread thread = new Thread(() -> {
    // 设置线程优先级（1-10，越高越优先）
    Process.setThreadPriority(Process.THREAD_PRIORITY_BACKGROUND);
    // 业务代码
});
thread.start();

常量	值	说明
THREAD_PRIORITY_DEFAULT	0	默认
THREAD_PRIORITY_LOWEST	19	最低（nice 19）
THREAD_PRIORITY_BACKGROUND	10	后台
THREAD_PRIORITY_FOREGROUND	-2	前台
THREAD_PRIORITY_DISPLAY	-4	显示相关
THREAD_PRIORITY_URGENT_DISPLAY	-8	紧急显示

映射关系：
Process.setThreadPriority(nice)
→ pthread_setschedparam → 内核 nice 值
-8 ~ 19 对应内核 nice 值（负数需 root 或系统权限）

4.2 进程组与 cgroup

Android 还通过 cgroup 控制资源：
- cpuset：限制线程跑在哪些 CPU
- bg_non_interactive：后台任务组
- 前台/后台线程组调度权重不同

效果：
- 后台线程组降权，避免抢前台资源
- 渲染/输入线程高优保证流畅

5. 调度与卡顿

5.1 调度延迟

卡顿的调度原因：
- 线程未及时被调度（等待时间长）
- 被高优任务抢占
- CPU 繁忙（负载高）
- 锁竞争导致阻塞（非调度问题）

测量：
systrace / perfetto 查看 sched 事件
- sched_wakeup → sched_switch 的间隔 = 调度延迟

5.2 优化实践

场景	优化
后台任务	降优先级（BACKGROUND）
主线程	避免耗时操作
渲染线程	保持高优先级
音频	实时调度（系统级）
锁竞争	减少临界区

6. 高频面试题

Q1：CFS 调度器的核心思想？ A：按权重公平分配 CPU。每个线程有 vruntime，选择 vruntime 最小的运行；nice 决定权重，nice 小权重高，vruntime 增长慢。

Q2：nice 值的作用？范围？ A：nice -20~19（默认 0），影响 CFS 权重。nice 越小优先级越高，分得 CPU 越多。不影响实时调度优先级。

Q3：Android 怎么设置线程优先级？ A：Process.setThreadPriority() 映射到内核 nice；渲染/前台高优，后台任务降优。配合 cgroup（cpuset、bg 组）控制系统资源分配。

Q4：SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 区别？ A：都是实时调度（优先级 1-99）。FIFO 运行到主动让出或阻塞；RR 有时间片轮转。Android 音频等实时任务使用。

Q5：如何用 systrace 排查调度导致的卡顿？ A：查看 sched 事件：sched_wakeup 到 sched_switch 的调度延迟、线程优先级、CPU 负载、被谁抢占，定位调度延迟或锁阻塞。

7. 小结

• CFS：按 vruntime 公平调度，nice 决定权重。
• 调度策略：NORMAL/FIFO/RR 等，实时优先级更高。
• Android 线程优先级映射 nice，配合 cgroup 分组。
• 卡顿排查：调度延迟、抢占、锁竞争。
• 优化：合理设置优先级、减少临界区。