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[26464] 2021-06-28_一次脑残的记录：Linux中实时任务调度与优先级

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2021-06-28_一次脑残的记录：Linux中实时任务调度与优先级 一 次 脑 残 的 记 录 ： L i n u x   中 实 时 任 务 调 度 与 优 先 级 L i n u x 学 习   2 0 2 1 - 0 6 - 2 8 以 下 文 章 来 源 于 I O T 物 联 网 小 镇   ， 作 者 道 哥 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： I O T 物 联 网 小 镇 物 联 网 小 镇 失 败 是 成 功 之 母 ， 这 篇 文 章 就 是 一 次 真 实 的 失 败 调 试 记 录 。 通 过 这 篇 文 章 ， 您 能 深 刻 体 验 到   L i n u x   系 统 中 下 面 几 个 概 念 ： 1 .   实 时 进 程 和 普 通 进 程 的 调 度 策 略 ； 2 .   L i n u x   中 混 乱 的 进 程 优 先 级 是 如 何 计 算 的 ； 3 .   C P U 亲 和 性 的 测 试 ； 4 .   多 处 理 器 ( S M P ) 遇 到 实 时 进 程 和 普 通 进 程 的 程 序 设 计 ；   5 .   道 哥 的 脑 袋 被 门 夹 了 一 下 的 短 路 经 历 ； 背 景 知 识 ： 背 景 知 识 ： L i n u x   调 度 策 略 调 度 策 略 关 于 进 程 的 调 度 策 略 ， 不 同 的 操 作 系 统 有 不 同 的 整 体 目 标 ， 因 此 调 度 算 法 也 就 各 不 相 同 。 这 需 要 根 据 进 程 的 类 型 ( 计 算 密 集 型 ？ I O 密 集 型 ？ ) 、 优 先 级 等 因 素 来 进 行 选 择 。 对 于   L i n u x     x 8 6   平 台 来 说 ， 一 般 采 用 的 是   ： 完 全 公 平 调 度 算 法 。 之 所 以 叫 做 完 全 公 平 ， 是 因 为 操 作 系 统 以 每 个 线 程 占 用     的 比 率 来 进 行 动 态 的 计 算 ， 操 作 系 统 希 望 每 一 个 进 程 都 能 够 平 均 的 使 用     这 个 资 源 ， 雨 露 均 沾 。 我 们 在 创 建 一 个 线 程 的 时 候 ， 默 认 就 是 这 个 调 度 算 法   ， 默 认 的 优 先 级 为   。 P S :   在   L i n u x   操 作 系 统 中 ， 线 程 的 内 核 对 象 与 进 程 的 内 核 对 象 ( 其 实 就 是 一 些 结 构 体 变 量 ) 是 很 类 似 的 ， 所 以 线 程 可 以 说 是 轻 量 级 的 进 程 。 在 本 文 中 ， 可 以 把 线 程 约 等 于 进 程 ， 有 的 地 方 也 可 能 称 为 任 务 ， 在 不 同 的 语 境 下 有 一 些 不 同 的 惯 用 说 法 。 I O T 物 联 网 小 镇 物 联 网 小 镇   . 深 入 的 思 考   +   直 白 的 文 字   +   实 用 的 项 目 经 验 ， 这 是 我 能 为 您 提 供 的 、 最 基 本 的 知 识 服 务 ！ C F S C P U C P U S C H E D _ O T H E R 0
可 以 这 么 理 解 ： 如 果 系 统 中 一 共 有     个 进 程 ， 那 么 每 个 进 程 会 得 到     的 执 行 机 会 。 每 个 进 程 执 行 一 段 时 间 之 后 ， 就 被 调 出 ， 换 下 一 个 进 程 执 行 。 如 果 这 个     的 数 量 太 大 了 ， 导 致 每 个 进 程 刚 开 始 执 行 时 ， 分 给 它 的 时 间 就 到 了 。 如 果 这 个 时 候 就 进 行 任 务 调 度 ， 那 么 系 统 的 资 源 就 耗 费 在 进 程 上 下 文 切 换 上 去 了 。 因 此 ， 操 作 系 统 引 入 了 最 小 粒 度 ， 也 就 是 每 个 进 程 都 有 一 个 最 小 的 执 行 时 间 保 证 ， 称 作 时 间 片 。 除 了     调 度 算 法 ，   系 统 还 支 持 两 种 实 时 调 度 策 略 ： 1 .   S C H E D _ F I F O ： 根 据 进 程 的 优 先 级 进 行 调 度 ， 一 旦 抢 占 到   C P U   则 一 直 运 行 ， 直 达 自 己 主 动 放 弃 或 被 被 更 高 优 先 级 的 进 程 抢 占 ; 2 .   S C H E D _ R R ： 在   S C H E D _ F I F O   的 基 础 上 ， 加 上 了 时 间 片 的 概 念 。 当 一 个 进 程 抢 占 到   C P U   之 后 ， 运 行 到 一 定 的 时 间 后 ， 调 度 器 会 把 这 个 进 程 放 在   C P U   中 ， 当 前 优 先 级 进 程 队 列 的 末 尾 ， 然 后 选 择 另 一 个 相 同 优 先 级 的 进 程 来 执 行 ; 本 文 想 测 试 的 就 是     与 普 通 的     这 两 种 调 度 策 略 混 合 的 情 况 。 背 景 知 识 ： 背 景 知 识 ： L i n u x   线 程 优 先 级 线 程 优 先 级 在     系 统 中 ， 优 先 级 的 管 理 显 得 比 较 混 乱 ， 先 看 下 面 这 张 图 ： N 1 / N N S C H E D _ O T H E R L i n u x S C H E D _ F I F O S C H E D _ O T H E R L i n u x
这 张 图 表 示 的 是 内 核 中 的 优 先 级 ， 分 为 两 段 。 前 面 的 数 值     是 实 时 任 务 ， 后 面 的 数 值     是 普 通 任 务 。 数 值 越 低 ， 代 表 这 个 任 务 的 优 先 级 越 高 。 数 值 越 低 ， 代 表 这 个 任 务 的 优 先 级 越 高 。 数 值 越 低 ， 代 表 这 个 任 务 的 优 先 级 越 高 。 再 强 调 一 下 ， 以 上 是 从 内 核 角 度 来 看 的 优 先 级 。 好 了 ， 重 点 来 了 ： 我 们 在 应 用 层 创 建 线 程 的 时 候 ， 设 置 了 一 个 优 先 级 数 值 ， 这 是 从 应 用 层 角 度 来 看 的 优 先 级 数 值 。 但 是 内 核 并 不 会 直 接 使 用 应 用 层 设 置 的 这 个 数 值 ， 而 是 经 过 了 一 定 的 运 算 ， 才 得 到 内 核 中 所 使 用 的 优 先 级 数 值 ( ) 。 1 .   对 于 实 时 任 务 我 们 在 创 建 线 程 的 时 候 ， 可 以 通 过 下 面 这 样 的 方 式 设 置 优 先 级 数 值 ( ) ： 当 创 建 线 程 函 数 进 入 内 核 层 面 的 时 候 ， 内 核 通 过 下 面 这 个 公 式 来 计 算 真 正 的 优 先 级 数 值 ： 如 果 应 用 层 传 入 数 值   ， 那 么 在 内 核 中 优 先 级 数 值 就 是   0 - 9 9 1 0 0 - 1 3 9 0   ~   1 3 9 0   ~   9 9 s t r u c t   s c h e d _ p a r a m   p a r a m ; p a r a m . _ _ s c h e d _ p r i o r i t y   =   x x x ; k e r n e l   p r i o r i t y   =   1 0 0   -   1   -   p a r a m . _ _ s c h e d _ p r i o r i t y 0 9 9
( 1 0 0   -   1   -   0   =   9 9 ) ， 在 所 有 实 时 任 务 中 ， 它 的 优 先 级 是 最 低 的 。 如 果 应 用 层 传 输 数 值   ， 那 么 在 内 核 中 优 先 级 数 值 就 是   ， 在 所 有 实 时 任 务 中 ， 它 的 优 先 级 是 最 高 的 。 因 此 ， 从 应 用 层 的 角 度 看 ， 传 输 人 优 先 级 数 值 越 大 ， 线 程 的 优 先 级 就 越 高 ； 数 值 越 小 ， 优 先 级 就 越 低 。 与 内 核 角 度 是 完 全 相 反 相 反 的 ！ 2 .   对 于 普 通 任 务 调 整 普 通 任 务 的 优 先 级 ， 是 通 过     值 来 实 现 的 ， 内 核 中 也 有 一 个 公 式 来 把 应 用 层 传 入 的     值 ， 转 成 内 核 角 度 的 优 先 级 数 值 ：   的 合 法 数 值 是 ： - 2 0   ~   1 9 。 如 果 应 用 层 设 置 线 程     数 值 为   ， 那 么 在 内 核 中 优 先 级 数 值 就 是   ， 在 所 有 的 普 通 任 务 中 ， 它 的 优 先 级 是 最 高 的 。 如 果 应 用 层 设 置 线 程     数 值 为   ， 那 么 在 内 核 中 优 先 级 数 值 就 是   ， 在 所 有 的 普 通 任 务 中 ， 它 的 优 先 级 是 最 低 的 。 因 此 ， 从 应 用 层 的 角 度 看 ， 传 输 人 优 先 级 数 值 越 小 ， 线 程 的 优 先 级 就 越 高 ； 数 值 越 大 ， 优 先 级 就 越 低 。 与 内 核 角 度 是 完 全 相 同 相 同 的 ！ 背 景 知 识 交 代 清 楚 了 ， 终 于 可 以 进 行 代 码 测 试 了 ！ 9 9 9 9 0 ( 1 0 0   -   1   -   9 9   =   0 ) n i c e n i c e k e r n e l   p r i f o i t y   =   1 0 0   +   2 0   +   n i c e n i c e n i c e - 2 0 1 0 0 ( 1 0 0   +   2 0   +   ( - 2 0 )   =   1 0 0 ) n i c e 1 9 1 3 9 ( 1 0 0   + 2 0   + 1 9   =   1 3 9 )
测 试 代 码 说 明 测 试 代 码 说 明 注 意 点 ：   必 须 在     之 前 定 义 ;   必 须 在     之 前 包 含 进 来 ; 3 .   这 个 顺 序 能 够 保 证 在 后 面 设 置 继 承 的   C P U   亲 和 性 时 ， C P U _ S E T , C E P U _ Z E R O 这 两 个 函 数 能 被 顺 利 定 位 到 。 1 .   # d e f i n e   _ G N U _ S O U R C E # i n c l u d e   < s c h e d . h > 2 .   # i n c l u d e   < s c h e d . h > # i n c l u d e   < p t h r e a d . h > / /   f i l e n a m e :   t e s t . c # d e f i n e   _ G N U _ S O U R C E # i n c l u d e   < u n i s t d . h >     # i n c l u d e   < s t d i o . h > # i n c l u d e   < s t d l i b . h > # i n c l u d e   < s c h e d . h > # i n c l u d e   < p t h r e a d . h > / /   用 来 打 印 当 前 的 线 程 信 息 ： 调 度 策 略 是 什 么 ？ 优 先 级 是 多 少 ？ v o i d   g e t _ t h r e a d _ i n f o ( c o n s t   i n t   t h r e a d _ i n d e x ) {         i n t   p o l i c y ;         s t r u c t   s c h e d _ p a r a m   p a r a m ;         p r i n t f ( " n = = = = >   t h r e a d _ i n d e x   =   % d   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ) ;         p t h r e a d _ g e t s c h e d p a r a m ( p t h r e a d _ s e l f ( ) ,   & p o l i c y ,   & p a r a m ) ;         i f   ( S C H E D _ O T H E R   = =   p o l i c y )                 p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   S C H E D _ O T H E R   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ) ;         e l s e   i f   ( S C H E D _ F I F O   = =   p o l i c y )                 p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   S C H E D _ F I F O   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ) ;         e l s e   i f   ( S C H E D _ R R   = =   p o l i c y )
                p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   S C H E D _ R R   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ) ;         p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   p r i o r i t y   =   % d   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ,   p a r a m . s c h e d _ p r i o r i t y ) ; } / /   线 程 函 数 ， v o i d   * t h r e a d _ r o u t i n e ( v o i d   * a r g s ) {         / /   参 数 是 ： 线 程 索 引 号 。 四 个 线 程 ， 索 引 号 从   1   到   4 ， 打 印 信 息 中 使 用 。         i n t   t h r e a d _ i n d e x   =   * ( i n t   * ) a r g s ;                 / /   为 了 确 保 所 有 的 线 程 都 创 建 完 毕 ， 让 线 程 睡 眠 1 秒 。         s l e e p ( 1 ) ;         / /   打 印 一 下 线 程 相 关 信 息 ： 调 度 策 略 、 优 先 级 。         g e t _ t h r e a d _ i n f o ( t h r e a d _ i n d e x ) ;         l o n g   n u m   =   0 ;         f o r   ( i n t   i   =   0 ;   i   <   1 0 ;   i + + )         {                 f o r   ( i n t   j   =   0 ;   j   <   5 0 0 0 0 0 0 ;   j + + )                 {                         / /   没 什 么 意 义 ， 纯 粹 是 模 拟   C P U   密 集 计 算 。                         f l o a t   f 1   =   ( ( i + 1 )   *   3 4 5 . 4 5 )   *   1 2 . 3   *   4 5 . 6   /   7 8 . 9   /   ( ( j + 1 )   *   4 5 6 7 . 8 9 ) ;                         f l o a t   f 2   =   ( i + 1 )   *   1 2 . 3   *   4 5 . 6   /   7 8 . 9   *   ( j + 1 ) ;                         f l o a t   f 3   =   f 1   /   f 2 ;                 }                                 / /   打 印 计 数 信 息 ， 为 了 能 看 到 某 个 线 程 正 在 执 行                 p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   n u m   =   % l d   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ,   n u m + + ) ;         }                 / /   线 程 执 行 结 束         p r i n t f ( " t h r e a d _ i n d e x   % d :   e x i t   n " ,   t h r e a d _ i n d e x ) ;         r e t u r n   0 ; } v o i d   m a i n ( v o i d ) {         / /   一 共 创 建 四 个 线 程 ： 0 和 1 - 实 时 线 程 ， 2 和 3 - 普 通 线 程 ( 非 实 时 )         i n t   t h r e a d _ n u m   =   4 ;
                / /   分 配 的 线 程 索 引 号 ， 会 传 递 给 线 程 参 数         i n t   i n d e x [ 4 ]   =   { 1 ,   2 ,   3 ,   4 } ;         / /   用 来 保 存   4   个 线 程 的   i d   号         p t h r e a d _ t   p p i d [ 4 ] ;                 / /   用 来 设 置   2   个 实 时 线 程 的 属 性 ： 调 度 策 略 和 优 先 级         p t h r e a d _ a t t r _ t   a t t r [ 2 ] ;         s t r u c t   s c h e d _ p a r a m   p a r a m [ 2 ] ;         / /   实 时 线 程 ， 必 须 由   r o o t   用 户 才 能 创 建         i f   ( 0   ! =   g e t u i d ( ) )         {                 p r i n t f ( " P l e a s e   r u n   a s   r o o t   n " ) ;                 e x i t ( 0 ) ;         }         / /   创 建   4   个 线 程         f o r   ( i n t   i   =   0 ;   i   <   t h r e a d _ n u m ;   i + + )         {                 i f   ( i   < =   1 )         / /   前 2 个 创 建 实 时 线 程                 {                         / /   初 始 化 线 程 属 性                         p t h r e a d _ a t t r _ i n i t ( & a t t r [ i ] ) ;                                                 / /   设 置 调 度 策 略 为 ： S C H E D _ F I F O                         p t h r e a d _ a t t r _ s e t s c h e d p o l i c y ( & a t t r [ i ] ,   S C H E D _ F I F O ) ;                                                 / /   设 置 优 先 级 为   5 1 ， 5 2 。                         p a r a m [ i ] . _ _ s c h e d _ p r i o r i t y   =   5 1   +   i ;                         p t h r e a d _ a t t r _ s e t s c h e d p a r a m ( & a t t r [ i ] ,   & p a r a m [ i ] ) ;                                                 / /   设 置 线 程 属 性 ： 不 要 继 承   m a i n   线 程 的 调 度 策 略 和 优 先 级 。                         p t h r e a d _ a t t r _ s e t i n h e r i t s c h e d ( & a t t r [ i ] ,   P T H R E A D _ E X P L I C I T _ S C H E D ) ;                                                 / /   创 建 线 程                         p t h r e a d _ c r e a t e ( & p p i d [ i ] ,   & a t t r [ i ] , ( v o i d   * ) t h r e a d _ r o u t i n e ,   ( v o i d   * ) & i n d e x [ i ] ) ;                 }                 e l s e                 / /   后 两 个 创 建 普 通 线 程                 {
编 译 成 可 执 行 程 序 的 指 令 ： 脑 残 测 试 开 始 脑 残 测 试 开 始 首 先 说 一 下 预 期 结 果 ， 如 果 没 有 预 期 结 果 ， 那 其 他 任 何 问 题 都 压 根 不 用 谈 了 。 一 共 有     个 线 程 ： 1 .   线 程 索 引 号   1 和 2 ： 是 实 时 线 程 ( 调 度 策 略 是   S C H E D _ F I F O ， 优 先 级 是 5 1 ， 5 2 ) ; 2 .   线 程 索 引 号   3 和 4 ： 是 普 通 线 程 ( 调 度 策 略 是   S C H E D _ O T H E R ,   优 先 级 是 0 ) ; 我 的 测 试 环 境 是 ： ， 是 一 台 安 装 在     上 面 的 虚 拟 机 。 我 期 望 的 结 果 是 ：                         p t h r e a d _ c r e a t e ( & p p i d [ i ] ,   0 ,   ( v o i d   * ) t h r e a d _ r o u t i n e ,   ( v o i d   * ) & i n d e x [ i ] ) ;                 }                         }         / /   等 待   4   个 线 程 执 行 结 束         f o r   ( i n t   i   =   0 ;   i   <   4 ;   i + + )                 p t h r e a d _ j o i n ( p p i d [ i ] ,   0 ) ;         f o r   ( i n t   i   =   0 ;   i   <   2 ;   i + + )                 p t h r e a d _ a t t r _ d e s t r o y ( & a t t r [ i ] ) ; } g c c   - o   t e s t   t e s t . c   - l p t h r e a d 4 U b u n t u 1 6 . 0 4 W i n d o w s 1 0
1 .   首 先 打 印   1   号 和   2   号 这 两 个 线 程 的 信 息 ， 因 为 它 俩 是 实 时 任 务 ， 需 要 优 先 被 调 度 ; 2 .   1   号 线 程 的 优 先 级 是   5 1 ， 小 于   2   号 线 程 的 优 先 级   5 2 ， 因 此 应 该 是   2   号 线 程 结 束 之 后 ， 才 轮 到   1   号 线 程 执 行 ; 3 .   3   号 和   4   号 线 程 是 普 通 进 程 ， 它 俩 需 要 等 到   1   号 和   2   号 线 程 全 部 执 行 结 束 之 后 才 开 始 执 行 ， 并 且   3   号 和   4   号 线 程 应 该 是 交 替 执 行 ， 因 为 它 俩 的 调 度 策 略 和 优 先 级 都 是 一 样 的 。 我 满 怀 希 望 的 在 工 作 电 脑 中 测 试 ， 打 印 结 果 如 下 ： = = = = >   t h r e a d _ i n d e x   =   4   t h r e a d _ i n d e x   4 :   S C H E D _ O T H E R   t h r e a d _ i n d e x   4 :   p r i o r i t y   =   0   = = = = >   t h r e a d _ i n d e x   =   1   t h r e a d _ i n d e x   1 :   S C H E D _ F I F O   t h r e a d _ i n d e x   1 :   p r i o r i t y   =   5 1   = = = = >   t h r e a d _ i n d e x   =   2   t h r e a d _ i n d e x   2 :   S C H E D _ F I F O   t h r e a d _ i n d e x   2 :   p r i o r i t y   =   5 2   t h r e a d _ i n d e x   2 :   n u m   =   0   t h r e a d _ i n d e x   4 :   n u m   =   0   = = = = >   t h r e a d _ i n d e x   =   3   t h r e a d _ i n d e x   3 :   S C H E D _ O T H E R   t h r e a d _ i n d e x   3 :   p r i o r i t y   =   0   t h r e a d _ i n d e x   1 :   n u m   =   0   t h r e a d _ i n d e x   2 :   n u m   =   1   t h r e a d _ i n d e x   4 :   n u m   =   1   t h r e a d _ i n d e x   3 :   n u m   =   0   t h r e a d _ i n d e x   1 :   n u m   =   1   t h r e a d _ i n d e x   2 :   n u m   =   2   t h r e a d _ i n d e x   4 :   n u m   =   2   t h r e a d _ i n d e x   3 :   n u m   =   1 后 面 打 印 内 容 不 用 输 出 了 ， 因 为 前 面 已 经 出 现 了 问 题 。
问 题 很 明 显 ： 为 什 么   4   个 线 程 为 什 么 被 同 时 执 行 了 ？   号 和     号 这 两 个 线 程 应 该 被 优 先 执 行 啊 ， 因 为 它 俩 是 实 时 任 务 ！ 怎 么 结 果 是 这 个 样 子 ？ 彻 底 凌 乱 了 ， 一 点 都 不 符 合 预 期 ！ 想 不 出 个 所 以 然 ， 只 能 求 助 网 络 ！ 但 是 没 有 找 到 有 价 值 的 线 索 。 其 中 有 一 个 信 息 涉 及 到     系 统 的 调 度 策 略 ， 这 里 记 录 一 下 。   系 统 中 ， 为 了 不 让 实 时 任 务 彻 底 占 据     资 源 ， 会 让 普 通 任 务 有 很 小 的 一 段 时 间 缝 隙 来 执 行 。 在 目 录     下 面 ， 有     个 文 件 ， 用 来 限 制 实 时 任 务 占 用     的 时 间 ： s c h e d _ r t _ r u n t i m e _ u s :   默 认 值   9 5 0 0 0 0   s c h e d _ r t _ p e r i o d _ u s :   默 认 值   1 0 0 0 0 0 0 意 思 是 ： 在     微 秒 ( 1 秒 ) 的 周 期 内 ， 实 时 任 务 占 用     微 秒 ( 0 . 9 5 秒 ) ， 剩 下 的     秒 留 给 普 通 任 务 。 如 果 没 有 这 个 限 制 的 话 ， 假 如 某 个     任 务 的 优 先 级 特 别 高 ， 恰 巧 出 了   ： 一 直 占 据   1 2 L i n u x L i n u x C P U / p r o c / s y s / k e r n e l 2 C P U 1 0 0 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 . 0 5 S C H E D _ F I F O b u g C P U
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