根据之前的介绍，我们了解了edf调度算法，edf调度算法能够在理论上实现cpu利用率100%，也是单核性能最强的调度算法，因为edf算法基于deadline来控制调度的优先级，但是同样的，也是因为edf关于deadline的设计，我们使用这个算法的时候必须对任务的执行时间严格确定，也就是预设的周期内，任务是一定要完成的。如果deadline时间内，任务因为例如io问题导致延迟了，那么就会影响后面所有的任务的调度。从极端角度考虑，可能会导致deadline往后的任务，也就是优先级最低的任务，一直被饿死。
为了改善这个问题，cbs算法基于edf之上做了改进，本文介绍cbs算法

什么是cbs算法

cbs：constant bandwidth server。可以看到说明，cbs严格意义上只算一个服务，它用来改进edf算法，那么cbs支持哪些特性呢，如下：

为任务新增一个预算，此预算除以周期就是恒定带宽
如果任务的预算耗尽，但是任务没完成，则推迟deadline，降低任务优先级，让其他任务有机会运行
如果任务在周期内完成，则在下一个周期中，重新设置预算，重新运行，此预算就是其任务运行时间。

根据上面的描述，我们可以发现，cbs调度算法是一种更柔和的edf算法，如果我们的任务没办法确定固定的执行周期，也就是没办法保证任务在预设的周期内完成，那么edf算法就会像多米诺骨牌一样，一个任务延迟会导致其他所有的任务延迟。这种损坏是灾难性的。而cbs就不一样了，如果一个任务延迟，那么就会将其取消，然后降低其优先级。这样它就不会导致整个调度器上的就绪任务全部推迟。

rtems上的cbs调度算法

上面介绍清楚了cbs调度，它是edf的改进。接下来我们看一下rtems的cbs实现，如下


#define SCHEDULER_CBS_ENTRY_POINTS \
  { \
    _Scheduler_EDF_Initialize,       /* initialize entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Schedule,         /* schedule entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Yield,            /* yield entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Block,            /* block entry point */ \
    _Scheduler_CBS_Unblock,          /* unblock entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Update_priority,  /* update priority entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Map_priority,     /* map priority entry point */ \
    _Scheduler_EDF_Unmap_priority,   /* unmap priority entry point */ \
    SCHEDULER_DEFAULT_SMP_OPERATIONS \
    _Scheduler_CBS_Node_initialize,  /* node initialize entry point */ \
    _Scheduler_default_Node_destroy, /* node destroy entry point */ \
    _Scheduler_CBS_Release_job,      /* new period of task */ \
    _Scheduler_CBS_Cancel_job,       /* cancel period of task */ \
    _Scheduler_default_Start_idle    /* start idle entry point */ \
    SCHEDULER_DEFAULT_SET_AFFINITY_OPERATION \
  }

可以发现，cbs上对任务的初始化，恢复阻塞，新增任务和取消任务做了改进。对于调度node的初始化，它新增了一个cbs的结构体，记录任务的deadline和budget，并提供一个当预算超时的函数回调。如下


typedef struct {
  /** Relative deadline of the server. */
  time_t deadline;
  /** Budget (computation time) of the server. */
  time_t budget;
} Scheduler_CBS_Parameters;
typedef struct {
  /**
   * Task id.
   *
   * @note: The current implementation of CBS handles only one task per server.
   */
  rtems_id                 task_id;
  /** Server paramenters. */
  Scheduler_CBS_Parameters parameters;
  /** Callback function invoked when a budget overrun occurs. */
  Scheduler_CBS_Budget_overrun  cbs_budget_overrun;

  /**
   * @brief Indicates if this CBS server is initialized.
   *
   * @see _Scheduler_CBS_Create_server() and _Scheduler_CBS_Destroy_server().
   */
  bool initialized;
} Scheduler_CBS_Server;

对于任务周期的开始，cbs相比于edf仅多做两件事

给任务节点设置一个预算
将任务的周期设置为deadline优先级节点

对于任务的取消，那么直接取消deadline的优先级节点即可

对于任务的解除阻塞，此实现比较重要，其函数如下


void _Scheduler_CBS_Unblock(
  const Scheduler_Control *scheduler,
  Thread_Control          *the_thread,
  Scheduler_Node          *node
)
{
  Scheduler_CBS_Node   *the_node;
  Scheduler_CBS_Server *serv_info;
  Priority_Control      priority;

  the_node = _Scheduler_CBS_Node_downcast( node );
  serv_info = the_node->cbs_server;
  priority = _Scheduler_Node_get_priority( &the_node->Base.Base );
  priority = SCHEDULER_PRIORITY_PURIFY( priority );

  /*
   * Late unblock rule for deadline-driven tasks. The remaining time to
   * deadline must be sufficient to serve the remaining computation time
   * without increased utilization of this task. It might cause a deadline
   * miss of another task.
   */
  if ( serv_info != NULL && ( priority & SCHEDULER_EDF_PRIO_MSB ) == 0 ) {
    time_t deadline = serv_info->parameters.deadline;
    time_t budget = serv_info->parameters.budget;
    uint32_t deadline_left = the_thread->CPU_budget.available;
    Priority_Control budget_left = priority - _Watchdog_Ticks_since_boot;

    if ( deadline * budget_left > budget * deadline_left ) {
      Thread_queue_Context queue_context;

      /* Put late unblocked task to background until the end of period. */
      _Thread_queue_Context_clear_priority_updates( &queue_context );
      _Scheduler_CBS_Cancel_job(
        scheduler,
        the_thread,
        the_node->deadline_node,
        &queue_context
      );
    }
  }

  _Scheduler_EDF_Unblock( scheduler, the_thread, &the_node->Base.Base );
}

可以看到，当任务从其他阻塞状态恢复到非阻塞状态，也就是加入就绪列表的时候，它会计算四个值

deadline
budget
剩余的deadline
剩余的budget

关于deadline和预算我们知道就是任务的周期和任务的执行事件，对于剩余的deadline和budget，其实就是任务实际运行时：

相较于设置的deadline还剩余的时间
相较于设置的budget还剩余的预算

那么关键的就是如下判断


if ( deadline * budget_left > budget * deadline_left ) {

我们看到不等式如下


deadline * budget_left > budget * deadline_left

它可以替换成如下


budget_left/deadline_left > budget/deadline

那么其含义就清楚了，那就是剩余的预算除以剩余的deadline的比重如果大于预期的预算除以deadline。那么就需要重设优先级，取消任务了。
再把意思转换一下，就是：

如果budget_left占比不变，则deadline_left占比太小，也就是剩余的deadline时间不够，也就是当前任务时间不够宽裕
如果deadline_left占比不变，则budget_left占比太大，也就是剩余的预算太大

对于上述的1好理解，如果deadline比重太小了，任务可能就不可控了。那么对于2怎么理解呢？

我们知道，如果任务正常执行，不可能存在剩余的预算除以剩余的deadline的占比反而大。但是在计算机领域，我们存在IO，IO是阻塞的，在IO期间，预算的时间是不被减掉的，也就是说进入unblock的预算时间值，实际上是进入IO之前的预算时间值。那么IO的时间实际上还没有计算进去。此时如果budget_left占比太大，说明任务有一定的风险导致不可控。这就理解清楚情况2了。

那么_Scheduler_CBS_Unblock的逻辑就是，如果剩余的任务占比要比预设的任务占比大，那么调度可能失控，此时将其任务从就绪队列删除，降低其优先级

总结

至此，我们基于edf介绍了cbs调度算法，它是edf算法的改进，当意外出现的时候，它会对失控的任务降低优先级，从而不会导致整个调度失控。
接下来，我会通过示例程序演示此调度器。

目录

什么是cbs算法

rtems上的cbs调度算法

总结