英創(chuàng)信息技術(shù)Linux系統(tǒng)調(diào)度簡(jiǎn)介

1、綜述

Linux作為多任務(wù)、多用戶(hù)的操作系統(tǒng)，其進(jìn)程/線(xiàn)程調(diào)度管理是實(shí)現(xiàn)這些特性的關(guān)鍵部分。調(diào)度管理決定系統(tǒng)中的眾多線(xiàn)程中哪個(gè)線(xiàn)程獲得執(zhí)行、什么時(shí)候開(kāi)始執(zhí)行、執(zhí)行多久。一個(gè)好的調(diào)度算法能優(yōu)化系統(tǒng)資源的使用，提高系統(tǒng)使用效率。

Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)了Scheduler Classes，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)調(diào)度類(lèi)（Scheduler class）的協(xié)同工作，每個(gè)不同的調(diào)度類(lèi)對(duì)應(yīng)不同的類(lèi)型的線(xiàn)程，而且每個(gè)調(diào)度類(lèi)都有自身的優(yōu)先級(jí)，Linux調(diào)度管理基礎(chǔ)代碼會(huì)遍歷在內(nèi)核中注冊(cè)了的調(diào)度類(lèi)，選擇高優(yōu)先級(jí)的調(diào)度類(lèi)，然后讓此調(diào)度類(lèi)按照自己的調(diào)度算法選擇下一個(gè)執(zhí)行的線(xiàn)程。Linux系統(tǒng)中常用的幾種調(diào)度類(lèi)為SCHED_NORMAL、SCHED_FIFO、SCHED_RR。其中SCHED_NORMAL是用于普通線(xiàn)程的調(diào)度類(lèi)，而SCHED_FIFO和SCHED_RR是用于實(shí)時(shí)線(xiàn)程的調(diào)度類(lèi)，優(yōu)先級(jí)高于SCHED_NORMAL。內(nèi)核中區(qū)分普通線(xiàn)程與實(shí)時(shí)線(xiàn)程是根據(jù)線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)線(xiàn)程擁有實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)（real-time priority），默認(rèn)取值為0~99，數(shù)值越高優(yōu)先級(jí)越高，而普通線(xiàn)程只具有nice值，nice值映射到用戶(hù)層的取值范圍為-20～+19，數(shù)值越高優(yōu)先級(jí)越低，默認(rèn)初始值為0 ，子線(xiàn)程會(huì)繼承父線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)。對(duì)于實(shí)時(shí)線(xiàn)程，Linux系統(tǒng)會(huì)盡量使其調(diào)度延時(shí)在一個(gè)時(shí)間期限內(nèi)，但是不能保證總是如此，不過(guò)正常情況下已經(jīng)可以滿(mǎn)足比較嚴(yán)格的時(shí)間要求了。下面將分別介紹這些調(diào)度類(lèi)。

2、SCHED_NORMAL

對(duì)于SCHED_NORMAL，2.6之前的版本內(nèi)核中的調(diào)度管理程序是根據(jù)線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)（nice值）來(lái)分配一個(gè)固定的時(shí)間片（timeslice）給線(xiàn)程，比如nice值0對(duì)應(yīng)于100ms的時(shí)間片，而nice值-20對(duì)應(yīng)于5ms時(shí)間片，線(xiàn)程在執(zhí)行過(guò)程中進(jìn)入阻塞狀態(tài)（I/O操作等引起）或者是執(zhí)行的時(shí)間達(dá)到分配的時(shí)間片后將會(huì)被搶占，而新進(jìn)入運(yùn)行態(tài)的線(xiàn)程會(huì)根據(jù)其優(yōu)先級(jí)和可用時(shí)間片來(lái)決定是否搶占當(dāng)前正在執(zhí)行的程序。

2.6之后版本的Linux中SCHED_NORMAL使用的是Linux 內(nèi)核在2.6.23版本中引入的CFS（Complete Fair Scheduler）調(diào)度管理程序。CFS與之前的調(diào)度不同的是，線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)與時(shí)間片之間并沒(méi)有一個(gè)固定的關(guān)系，而是影響該線(xiàn)程在整個(gè)系統(tǒng)CPU運(yùn)行時(shí)間中占有比例的一個(gè)因素。比如有兩個(gè)線(xiàn)程，對(duì)應(yīng)的nice值分別為0（普通線(xiàn)程）和+19（低優(yōu)先級(jí)線(xiàn)程），那么普通線(xiàn)程將會(huì)占有19/20×100%的CPU時(shí)間，而低優(yōu)先級(jí)線(xiàn)程將會(huì)占有1/20×100%的CPU時(shí)間（具體數(shù)值只做舉例說(shuō)明用，Linux內(nèi)核中的計(jì)算出來(lái)的數(shù)值會(huì)不一樣）。而如果同時(shí)運(yùn)行的只有兩個(gè)相同優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程，那么他們分到的CPU時(shí)間各是50%。這樣每個(gè)線(xiàn)程能夠分配到的CPU時(shí)間占有比例跟系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)載（所有處于運(yùn)行態(tài)的線(xiàn)程數(shù)以及各線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)）有關(guān)，同一個(gè)線(xiàn)程在他本身優(yōu)先級(jí)不變的情況下分到的CPU時(shí)間占比會(huì)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載變化而發(fā)生變化，也即與時(shí)間片沒(méi)有一個(gè)固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

理想情況下CFS對(duì)CPU時(shí)間占比的衡量是在一個(gè)無(wú)限小的時(shí)間片內(nèi)計(jì)算單個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行時(shí)間的占比，CFS的目標(biāo)是所有線(xiàn)程在這個(gè)小的時(shí)間片周期內(nèi)執(zhí)行的時(shí)間都是相同的，無(wú)限小在現(xiàn)實(shí)中顯然是不存在的，Linux系統(tǒng)中這個(gè)時(shí)間片周期是與系統(tǒng)CPU數(shù)有關(guān)的，默認(rèn)情況下單核CPU對(duì)應(yīng)6ms，雙核CPU對(duì)應(yīng)12ms，8核CPU對(duì)應(yīng)24ms，當(dāng)線(xiàn)程數(shù)增加到很大數(shù)量時(shí)，CFS會(huì)保證每個(gè)線(xiàn)程獲得最小執(zhí)行時(shí)間， 單核CPU對(duì)應(yīng)0.75ms，雙核CPU對(duì)應(yīng)1.5ms，8核CPU對(duì)應(yīng)3ms。在CFS管理下，某個(gè)線(xiàn)程運(yùn)行時(shí)如果進(jìn)入阻塞態(tài)（或其他非運(yùn)行態(tài)）或者當(dāng)前時(shí)間片周期內(nèi)的CPU時(shí)間占比達(dá)到后將會(huì)暫停運(yùn)行，CFS然后將會(huì)選擇當(dāng)前時(shí)間片周期內(nèi)已執(zhí)行時(shí)間最少的運(yùn)行態(tài)線(xiàn)程繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)然CPU時(shí)間占比在內(nèi)核中也是以運(yùn)行時(shí)間衡量的，比如某個(gè)單核CPU系統(tǒng)中只有兩個(gè)相同優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程同時(shí)處于運(yùn)行態(tài)，那么CFS將會(huì)以6ms為周期來(lái)調(diào)度所有線(xiàn)程，而每個(gè)6ms周期內(nèi)每個(gè)線(xiàn)程分得3ms執(zhí)行時(shí)間，如果某個(gè)線(xiàn)程中有I/O操作等其他操作使該線(xiàn)程進(jìn)入非運(yùn)行態(tài)，CFS將會(huì)立即使另外一個(gè)線(xiàn)程繼續(xù)運(yùn)行，如果兩個(gè)線(xiàn)程都是基本沒(méi)有I/O操作等會(huì)引起阻塞的操作（比如忙循環(huán)），那么線(xiàn)程將會(huì)在自己的執(zhí)行時(shí)間結(jié)束（本質(zhì)上是超出CPU時(shí)間占比）后被CFS程序調(diào)度出當(dāng)前正在執(zhí)行的狀態(tài)，另外一個(gè)線(xiàn)程獲得CPU資源開(kāi)始執(zhí)行。

需要注意的是，進(jìn)入CFS（或其他調(diào)度算法）需要調(diào)度事件的產(chǎn)生，調(diào)度事件可以是線(xiàn)程自己調(diào)用函數(shù)顯示執(zhí)行調(diào)度，或者線(xiàn)程執(zhí)行I/O操作等會(huì)進(jìn)入阻塞的操作以及等待的事件發(fā)生線(xiàn)程進(jìn)入運(yùn)行態(tài)等（內(nèi)核中有固定的調(diào)度點(diǎn)），如果一個(gè)程序一直處于忙計(jì)算（比如忙循環(huán)程序），那么就會(huì)需要系統(tǒng)軟時(shí)間中斷來(lái)產(chǎn)生調(diào)度事件從而進(jìn)入CFS調(diào)度判斷下一個(gè)可執(zhí)行程序。目前我們的Linux內(nèi)核普遍配置的系統(tǒng)軟時(shí)間中斷產(chǎn)生的頻率為100Hz，也即每10ms產(chǎn)生一次中斷，那么系統(tǒng)中只有忙計(jì)算類(lèi)（如忙循環(huán)）線(xiàn)程的情況下，只有當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生軟時(shí)間中斷時(shí)，CFS才會(huì)被調(diào)用來(lái)判斷下一個(gè)執(zhí)行的線(xiàn)程并使其占有CPU開(kāi)始執(zhí)行，這個(gè)現(xiàn)象看起來(lái)就好象是Linux調(diào)度策略簡(jiǎn)單的給每個(gè)線(xiàn)程分配了10ms的時(shí)間片，其實(shí)并不是這樣。如果系統(tǒng)中同時(shí)有忙計(jì)算類(lèi)的線(xiàn)程和經(jīng)常進(jìn)行I/O操作類(lèi)的線(xiàn)程，由于I/O類(lèi)線(xiàn)程基本處于等待事件的阻塞態(tài)中，執(zhí)行的時(shí)間很少，而計(jì)算類(lèi)線(xiàn)程在執(zhí)行的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，如果計(jì)算類(lèi)線(xiàn)程正在執(zhí)行時(shí)，I/O類(lèi)線(xiàn)程等待的事件發(fā)生了，CFS馬上就會(huì)判斷出I/O類(lèi)線(xiàn)程在之前時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行的時(shí)間很少，即已使用的CPU占比與分配給他的相比很小，而計(jì)算類(lèi)線(xiàn)程很有可能已經(jīng)超過(guò)了分配的CPU占比，那么CFS將會(huì)馬上使I/O類(lèi)的線(xiàn)程占有CPU開(kāi)始執(zhí)行，如此系統(tǒng)總是能及時(shí)響應(yīng)I/O類(lèi)線(xiàn)程。

3、SCHED_FIFO和SCHED_RR

SCHED_FIFO和SCHED_RR是實(shí)時(shí)線(xiàn)程使用的調(diào)度管理算法。SCHED_FIFO即先進(jìn)先出，處于相同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)線(xiàn)程會(huì)根據(jù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)的次序依次執(zhí)行。正在執(zhí)行的線(xiàn)程會(huì)一直執(zhí)行直到線(xiàn)程阻塞或者其主動(dòng)調(diào)用調(diào)度線(xiàn)程放棄執(zhí)行，處于此調(diào)度策略下的線(xiàn)程沒(méi)有預(yù)先分配的時(shí)間片，可以永遠(yuǎn)執(zhí)行下去。只有擁有更高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)且處于SCHED_RR或者SCHED_FIFO管理下的線(xiàn)程能搶占正在運(yùn)行的實(shí)時(shí)線(xiàn)程。

SCHED_RR在SCHED_FIFO的基礎(chǔ)上會(huì)預(yù)先給定線(xiàn)程一個(gè)時(shí)間片，時(shí)間片達(dá)到后會(huì)使其他相同優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程開(kāi)始執(zhí)行。SCHED_RR的時(shí)間片輪詢(xún)機(jī)制只對(duì)同等實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程有效，更高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程總是會(huì)搶占正在執(zhí)行的線(xiàn)程，而低優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程不能搶占高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程，即使其時(shí)間片已到。

實(shí)時(shí)線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)高于所有普通線(xiàn)程，如果有實(shí)時(shí)線(xiàn)程處于運(yùn)行態(tài)，則系統(tǒng)調(diào)度時(shí)一定會(huì)選擇調(diào)用實(shí)時(shí)線(xiàn)程；正在運(yùn)行的實(shí)時(shí)線(xiàn)程只會(huì)被擁有更高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程搶占。所以在應(yīng)用中如果需要將某個(gè)線(xiàn)程設(shè)置為實(shí)時(shí)線(xiàn)程，則需要用戶(hù)自己確保該線(xiàn)程不會(huì)處于忙執(zhí)行而完全占用CPU資源，導(dǎo)致其他普通線(xiàn)程沒(méi)法獲得CPU資源而一直被阻塞得不到執(zhí)行，并且需要合理給予優(yōu)先級(jí)的值，太高有可能會(huì)影響重要系統(tǒng)線(xiàn)程的運(yùn)行。所有用戶(hù)態(tài)線(xiàn)程默認(rèn)沒(méi)有實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，都屬于普通線(xiàn)程。

4、相關(guān)接口函數(shù)

Linux系統(tǒng)提供了一系列函數(shù)，這些函數(shù)可以讓用戶(hù)方便的修改線(xiàn)程/進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)（包括nice值和real-time priority）、以及修改調(diào)度策略、設(shè)置運(yùn)行線(xiàn)程的CPU核心等。下面簡(jiǎn)單介紹一下常用的函數(shù)。

（1）修改nice值

int nice ( int incr )

將調(diào)用進(jìn)程的nice值增加incr，incr為負(fù)數(shù)是提高優(yōu)先級(jí)，為正數(shù)時(shí)降低優(yōu)先級(jí)。成功返回0。

int setpriority ( int which, id_t who, int prio )

將指定的線(xiàn)程/線(xiàn)程組/用戶(hù)的nice值設(shè)置為prio，whice對(duì)應(yīng)可以取值PRIO_PROCESS、PRIO_PGRP、PRIO_USER，who對(duì)應(yīng)為線(xiàn)程/進(jìn)程id，組id或者用戶(hù)id，prio取值范圍為-20～19。成功返回0,錯(cuò)誤返回-1。

（2）修改real-time priority以及調(diào)度策略

int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param)

設(shè)置調(diào)度屬性。對(duì)于SCHED_FIFO和SCHED_RR，sched_param值包含 int sched_priority，也即real-time priority。下面所有param定義相同。

int pthread_attr_getschedparam (const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)

獲取調(diào)度屬性。

int pthread_attr_setschedpolicy (pthread_attr_t *attr, int policy)

設(shè)置調(diào)度策略，policy可設(shè)置為SCHED_FIFO，SCHED_RR和SCHED_NORMAL。

int pthread_attr_getschedpolicy (const pthread_attr_t *attr, int *policy)

獲取調(diào)度策略。

int sched_setparam (pid_t pid, const struct sched_param *param)

設(shè)置pid進(jìn)程的real-time priority，需要pid進(jìn)程出具SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略管理下。

int sched_getparam(pid_t pid, struct sched_param *param)

獲取real-time priority。

int sched_setscheduler (pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param)

設(shè)置pid進(jìn)程的調(diào)度策略以及調(diào)度屬性。

int sched_getscheduler (pid_t pid)

返回pid進(jìn)程調(diào)度策略。

（3）設(shè)置線(xiàn)程在哪個(gè)CPU核心上運(yùn)行

int pthread_setaffinity_np (pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset)

int pthread_getaffinity_np (pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset)

int sched_setaffinity (pid_t pid, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset)

int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset)

設(shè)置/獲取線(xiàn)程可以運(yùn)行的CPU核心， cpusetsize 可以設(shè)置為sizeof(cpu_set_t), cpuset可以用宏CPU_ZERO和CPU_SET設(shè)置，函數(shù)設(shè)置成功后，線(xiàn)程將只會(huì)在設(shè)置的CPU核心（比如8核CPU可以設(shè)置核心1、3、4）上運(yùn)行，如果cpuset只指定了一個(gè)核心，那么線(xiàn)程將只會(huì)在此核心上運(yùn)行。函數(shù)出錯(cuò)返回-1,成功返回0。

關(guān)于以上函數(shù)以及更多與調(diào)度相關(guān)的函數(shù)的詳細(xì)信息請(qǐng)參考

http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/pthread.h.html

http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/sched.h.html

以及相關(guān)函數(shù)的Linux man手冊(cè)和其他相關(guān)書(shū)籍資料。

5、編程示例

下面提供一個(gè)示例程序，程序用于展示real-time priority對(duì)于進(jìn)程運(yùn)行時(shí)調(diào)度管理的影響，程序運(yùn)行于ESM6802（雙核）工控主板上。程序會(huì)在主進(jìn)程中使用fork新建一個(gè)進(jìn)程，然后調(diào)用sched_setscheduler設(shè)置子進(jìn)程的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)為30, 同時(shí)設(shè)置其使用SCHED_FIFO調(diào)度策略，而主進(jìn)程只有nice值為0 的普通優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)進(jìn)程主體部分相同，均為在忙循環(huán)中置高然后置低一位GPIO的輸出電平，通過(guò)示波器觀察GPIO的狀態(tài)，如果進(jìn)程一直執(zhí)行，則會(huì)看到連續(xù)的周期較固定的方波，而如果進(jìn)程被其他進(jìn)程搶占，則會(huì)看到GPIO的狀態(tài)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有發(fā)生變化，以此來(lái)展示實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)對(duì)系統(tǒng)調(diào)度的影響。程序部分代碼如下：

int gpio = GPIO6;

structsched_param rt_param = {

.sched_priority = 30 }; //實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)30

child_pid = fork(); //創(chuàng)建子進(jìn)程

if(child_pid!=0) //child_pid不等于0為主進(jìn)程，等于0為子進(jìn)程

{

if( -1 == sched_setscheduler ( child_pid, SCHED_FIFO, &rt_param ) )

printf("sched_setscheduler failed\n");

//設(shè)置子進(jìn)程實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)以及調(diào)度算法

printf ( "child_pid = %d\n", child_pid );

gpio = GPIO5; //主進(jìn)程和子進(jìn)程操作不同的GPIO

}

printf("Driver esm6800_gpio test\n");

fd = open("/dev/esm6800_gpio", O_RDWR);

printf("open file = %d\n", fd);

rc = GPIO_OutEnable(fd, 0xff); //set GPIO as output

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutEnable::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

for(;;) //無(wú)限循環(huán)

{

//忙循環(huán)中置高然后置低gpio輸出電平

rc = GPIO_OutSet(fd, gpio); //使GPIO輸出高電平

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutSet::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

rc = GPIO_OutClear(fd, gpio); //使GPIO輸出低電平

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutClear::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

}

使用示波器查看到的GPIO狀態(tài)如下圖，其中黃色信號(hào)為主進(jìn)程操作的GPIO5，藍(lán)色信號(hào)為有實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的子進(jìn)程操作的GPIO6：

可以看出藍(lán)色信號(hào)代表的擁有實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程一直處于執(zhí)行當(dāng)中，沒(méi)有被其他低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程搶占，而黃色信號(hào)代表的普通優(yōu)先級(jí)的程序gpio狀態(tài)切換有很明顯的中斷，也即其他進(jìn)程被搶占而中斷執(zhí)行。此結(jié)果與第一節(jié)介紹的Linux調(diào)度策略一致：實(shí)時(shí)線(xiàn)程只會(huì)被擁有更高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程搶占，處于SCHED_FIFO下的實(shí)時(shí)線(xiàn)程可以無(wú)限執(zhí)行。

用戶(hù)在實(shí)際編程中應(yīng)該仔細(xì)規(guī)劃自己的程序，合理利用系統(tǒng)調(diào)度接口函數(shù)，來(lái)優(yōu)化自己程序的執(zhí)行效果，同時(shí)避免錯(cuò)誤的使用導(dǎo)致系統(tǒng)正常運(yùn)行。