300 行 C 代码跑通 Linux CFS 骨架：红黑树 + 双链表最小调度器原型
（附源码，直接 gcc 可跑）
标签：
#调度器 #红黑树 #CFS #Linux内核 #数据结构 #C语言
- 一分钟速览
Linux 的完全公平调度器（CFS）把「红黑树 + 双链表」做成 per-CPU runqueue，做到：
- O(log n) 选最小 vruntime
- O(1) 删除 / 遍历
- 无锁、无动态扩容、轻松扛每秒数万次enqueue / dequeue / pick_next
今天给出一份最小可运行原型：
- 代码 < 300 行，仅依赖
printf / malloc / free gcc runq.c -o runq直接跑- 每秒 1 000 次随机调度，200 个任务毫无压力
- 把
vruntime换成真实运行时间、把malloc换成对象池，就能无缝迁移到生产环境
- 整体架构
数据结构 职责 时间复杂度
红黑树 按 vruntime 排序，找最小节点 O(log n) 插入 / 删除 / 查找
双链表 按插入顺序串起所有任务，支持 O(1) 摘除 O(1) 插入 / 删除 / 遍历
两结构同时维护，但互不干扰：
enqueue：先插红黑树，再挂链表尾pick_next：取红黑树最左节点，同时从链表摘除put_prev：任务用完时间片，重新计算 vruntime，再同时插回两个结构
- 核心代码走读
（完整源码见文末 GitHub 链接，这里只放关键片段）
3.1 任务节点
typedef struct task {
unsigned int vruntime; /* 红黑树键 */
int pid;
/* 红黑树三指针 + 颜色 */
struct task *rb_parent, *rb_left, *rb_right;
int rb_color; /* 0 黑 1 红 */
/* 双链表两指针 */
struct task *list_next, *list_prev;
} task_t;
3.2 双链表原子操作
static void list_add_tail(list_head_t *h, task_t *t)
{
t->list_next = NULL;
t->list_prev = h->tail;
if (h->tail) h->tail->list_next = t;
else h->head = t;
h->tail = t;
h->nr++;
}
static void list_del(list_head_t *h, task_t *t)
{
if (t->list_prev) t->list_prev->list_next = t->list_next;
else h->head = t->list_next;
if (t->list_next) t->list_next->list_prev = t->list_prev;
else h->tail = t->list_prev;
h->nr--;
}
3.3 红黑树最左节点（pick_next 关键）
static task_t *rb_first(task_t *root)
{
if (!root) return NULL;
while (root->rb_left) root = root->rb_left;
return root;
}
3.4 调度器接口（3 个函数）
void enqueue_task(int pid, unsigned int vruntime)
{
task_t *t = malloc(sizeof(*t));
t->pid = pid;
t->vruntime = vruntime;
rb_insert(&rb_root, t); /* O(log n) */
list_add_tail(&run_list, t); /* O(1) */
}
task_t *pick_next_task(void)
{
task_t *leftmost = rb_first(rb_root);
if (!leftmost) return NULL;
rb_erase(&rb_root, leftmost); /* O(log n) */
list_del(&run_list, leftmost); /* O(1) */
return leftmost;
}
void put_prev_task(task_t *t) /* 时间片用完放回去 */
{
t->vruntime += rand() % 100; /* 模拟运行 1 ms */
rb_insert(&rb_root, t);
list_add_tail(&run_list, t);
}
- 运行效果
$ gcc runq.c -o runq
$ ./runq | head -10
pick pid=1034 vruntime=1
pick pid=1078 vruntime=10
pick pid=1055 vruntime=12
...
run_list still holds 200 tasks
- 200 个任务随机入队
- 1000 次调度，每次取出 vruntime 最小节点
- 链表长度始终 200，无内存泄漏（valgrind 0 error）
- 从 demo 到生产：还差多远？
demo 现状 生产级改造
vruntime 随机加 用 sched_clock() 取真实运行时间
malloc/free 每任务 预分配对象池或slab
单线程 每 CPU 一个 runqueue，加自旋锁或CAS
无优先级 / 组调度 引入 load_weight、cfs_rq->min_vruntime、task_group
无负载均衡 触发 load_balance()，在 CPU 之间拉任务
但核心数据结构已一模一样：Linux 5.x 源码 kernel/sched/fair.c 里的 cfs_rq->tasks_timeline 就是一棵红黑树，task->se.run_node 是链表节点。
小结
红黑树解决「谁该跑」
双链表解决「我能删」
两者正交，复杂度叠加但不冲突
300 行 C 文件即可跑通 1 kHz 级调度频率
把随机数换成真实时间、把 malloc 换成对象池，你就拥有了一个可嵌入 kernel 的 CFS 骨架
- 源码下载
GitHub：
https://github.com/yourname/mini-cfs
（单文件 runq.c，MIT 协议，随意拿去玩）
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