Linux 线程调度与优先级

背景

在Linux 开发中，有时候会遇到多线程开发，这个时候就会涉及到优先级的概念。

介绍

Linux内核的三种调度策略：

1、SCHED_OTHER 分时调度策略，
2、SCHED_FIFO实时调度策略，先到先服务。一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃

3、SCHED_RR实时调度策略，时间片轮转。当进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平

Linux线程优先级设置

首先，可以通过以下两个函数来获得线程可以设置的最高和最低优先级，函数中的策略即上述三种策略的宏定义：

int sched_get_priority_max(int policy);
int sched_get_priority_min(int policy);

SCHED_OTHER是不支持优先级使用的，而SCHED_FIFO和SCHED_RR支持优先级的使用，他们分别为1和99，数值越大优先级越高。
设置和获取优先级通过以下两个函数

int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param);
int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
param.sched_priority = 51; //设置优先级

系统创建线程时，默认的线程是SCHED_OTHER。所以如果我们要改变线程的调度策略的话，可以通过下面的这个函数实现。

int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);

上面的param使用了下面的这个数据结构：

struct sched_param
{
    //所要设定的线程优先级
    int __sched_priority;   /* Scheduling priority */
};


// 但是我在linux里使用： man pthread_attr_setschedpolicy  ，发现结构体是下面的这种类型

struct sched_param {
    int sched_priority;     /* Scheduling priority */
};

测试程序

获取系统支持的优先级

我们可以通过下面的测试程序来说明，我们自己使用的系统的支持的优先级：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <assert.h>

static int get_thread_policy(pthread_attr_t *attr)
{
    int policy;
    int rs = pthread_attr_getschedpolicy(attr,&policy);
    assert(rs==0);
    switch(policy)
    {
        case SCHED_FIFO:
            printf("policy= SCHED_FIFO\n");
            break;
        case SCHED_RR:
            printf("policy= SCHED_RR");
            break;
        case SCHED_OTHER:
            printf("policy=SCHED_OTHER\n");
            break;
        default:
            printf("policy=UNKNOWN\n");
            break;
    }
    return policy;
}

static void show_thread_priority(pthread_attr_t *attr,int policy)
{
    int priority = sched_get_priority_max(policy);
    assert(priority!=-1);
    printf("max_priority=%d\n",priority);
    priority= sched_get_priority_min(policy);
    assert(priority!=-1);
    printf("min_priority=%d\n",priority);
}

static int get_thread_priority(pthread_attr_t *attr)
{
    struct sched_param param;
    int rs = pthread_attr_getschedparam(attr,&param);
    assert(rs==0);
    printf("priority=%d",param.__sched_priority);
    return param.__sched_priority;
}

static void set_thread_policy(pthread_attr_t *attr,int policy)
{
    int rs = pthread_attr_setschedpolicy(attr,policy);
    assert(rs==0);
    get_thread_policy(attr);
}

int main(void)
{
    pthread_attr_t attr;
    struct sched_param sched;
    int rs;
    rs = pthread_attr_init(&attr);
    assert(rs==0);

    int policy = get_thread_policy(&attr);
    printf("Show current configuration of priority\n");
    show_thread_priority(&attr,policy);
    printf("show SCHED_FIFO of priority\n");
    show_thread_priority(&attr,SCHED_FIFO);
    printf("show SCHED_RR of priority\n");
    show_thread_priority(&attr,SCHED_RR);
    printf("show priority of current thread\n");
    int priority = get_thread_priority(&attr);

    printf("Set thread policy\n");
    printf("set SCHED_FIFO policy\n");
    set_thread_policy(&attr,SCHED_FIFO);
    printf("set SCHED_RR policy\n");
    set_thread_policy(&attr,SCHED_RR);
    printf("Restore current policy\n");
    set_thread_policy(&attr,policy);

    rs = pthread_attr_destroy(&attr);
    assert(rs==0);
    return 0;
}

下面是测试程序的运行结果：

policy=SCHED_OTHER
Show current configuration of priority
max_priority=0
min_priority=0
show SCHED_FIFO of priority
max_priority=99
min_priority=1
show SCHED_RR of priority
max_priority=99
min_priority=1
show priority of current thread
priority=0Set thread policy
set SCHED_FIFO policy
policy= SCHED_FIFO
set SCHED_RR policy
policy= SCHED_RRRestore current policy
policy=SCHED_OTHER

多线程优先级验证

下面的这个测试程序，创建了三个线程，默认创建的线程的调度策略是SCHED_OTHER，其余的两个线程的调度策略设置成SCHED_RR。

我的Linux的内核版本是2.6.31。SCHED_RR是根据时间片来确定线程的调度。时间片用完了，不管这个线程的优先级有多高都不会在运行，而是进入就绪队列中，等待下一个时间片的到了，那这个时间片到底要持续多长时间？

在《深入理解Linux内核》中的第七章进程调度中，是这样描诉的，Linux采取单凭经验的方法，即选择尽可能长、同时能保持良好相应时间的一个时间片。

这里也没有给出一个具体的时间来，可能会根据不同的CPU 来定，还有就是多CPU 的情况。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void Thread1()
{
    sleep(1);
    int i,j;
    int policy;
    struct sched_param param;
    pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
    if(policy == SCHED_OTHER)
        printf("SCHED_OTHER\n");
    if(policy == SCHED_RR);
    printf("SCHED_RR 1 \n");
    if(policy==SCHED_FIFO)
        printf("SCHED_FIFO\n");

    for(i=1;i<10;i++)
    {
        for(j=1;j<5000000;j++)
        {
        }
        printf("thread 1\n");
    }
    printf("Pthread 1 exit\n");
}

void Thread2()
{
    sleep(1);
    int i,j,m;
    int policy;
    struct sched_param param;
    pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
    if(policy == SCHED_OTHER)
        printf("SCHED_OTHER\n");
    if(policy == SCHED_RR);
    printf("SCHED_RR\n");
    if(policy==SCHED_FIFO)
        printf("SCHED_FIFO\n");

    for(i=1;i<10;i++)
    {
        for(j=1;j<5000000;j++)
        {

        }
        printf("thread 2\n");
    }
    printf("Pthread 2 exit\n");
}

void Thread3()
{
    sleep(1);
    int i,j;
    int policy;
    struct sched_param param;
    pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
    if(policy == SCHED_OTHER)
        printf("SCHED_OTHER\n");
    if(policy == SCHED_RR)
        printf("SCHED_RR \n");
    if(policy==SCHED_FIFO)
        printf("SCHED_FIFO\n");

    for(i=1;i<10;i++)
    {
        for(j=1;j<5000000;j++)
        {
        }
        printf("thread 3\n");
    }
    printf("Pthread 3 exit\n");
}

int main()
{
    int i;
    i = getuid();
    if(i==0)
        printf("The current user is root\n");
    else
        printf("The current user is not root\n");

    pthread_t ppid1,ppid2,ppid3;
    struct sched_param param;

    pthread_attr_t attr,attr1,attr2;

    pthread_attr_init(&attr1);
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_init(&attr2);
    param.sched_priority = 51;
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr2,SCHED_RR);
    pthread_attr_setschedparam(&attr2,&param);
    pthread_attr_setinheritsched(&attr2,PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);//要使优先级其作用必须要有这句话

    param.sched_priority = 21;
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr1,SCHED_RR);
    pthread_attr_setschedparam(&attr1,&param);
    pthread_attr_setinheritsched(&attr1,PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);

    pthread_create(&ppid3,&attr,(void *)Thread3,NULL);
    pthread_create(&ppid2,&attr1,(void *)Thread2,NULL);
    pthread_create(&ppid1,&attr2,(void *)Thread1,NULL);

    pthread_join(ppid3,NULL);
    pthread_join(ppid2,NULL);
    pthread_join(ppid1,NULL);
    pthread_attr_destroy(&attr2);
    pthread_attr_destroy(&attr1);
    return 0;
}

下面是该程序的其中之一的运行结果： 注意运行时必须加sudo权限，才能进行优先级抢占

sudo ./prio_test
The current user is root
SCHED_OTHER
SCHED_RR
SCHED_RR 1 
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
Pthread 1 exit
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
Pthread 2 exit
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
Pthread 3 exit

这里我们可以看到，由于线程3的调度策略是SCHED_OTHER，而线程2的调度策略是SCHED_RR，所以，在Thread3中，线程3被线程1，线程2给抢占了。由于线程1的优先级大于线程2的优先级，所以，在线程1以先于线程2运行，不过，这里线程2有一部分代码还是先于线程1运行了。

我原以为，只要线程的优先级高，就会一定先运行，其实，这样的理解是片面的，特别是在SMP的PC机上更会增加其不确定性。

其实，普通进程的调度，是CPU根据进程优先级算出时间片，这样并不能一定保证高优先级的进程一定先运行，只不过和优先级低的进程相比，通常优先级较高的进程获得的CPU时间片会更长而已。其实，如果要想保证一个线程运行完在运行另一个线程的话，就要使用多线程的同步技术，信号量，条件变量等方法。而不是绝对依靠优先级的高低，来保证。

不过，从运行的结果上，我们可以看到，调度策略为SCHED_RR的线程1，线程2确实抢占了调度策略为SCHED_OTHER的线程3。这个是可以理解的，由于SCHER_RR是实时调度策略。

只有在下述事件之一发生时，实时进程才会被另外一个进程取代。
（1） 进程被另外一个具有更高实时优先级的实时进程抢占。
（2） 进程执行了阻塞操作并进入睡眠
（3）进程停止（处于TASK_STOPPED 或TASK_TRACED状态）或被杀死。
（4）进程通过调用系统调用sched_yield()，自愿放弃CPU 。
（5）进程基于时间片轮转的实时进程（SCHED_RR），而且用完了它的时间片。

基于时间片轮转的实时进程是，不是真正的改变进程的优先级，而是改变进程的基本时间片的长度。所以基于时间片轮转的进程调度，并不能保证高优先级的进程先运行。

下面是另一种运行结果：

sudo ./prio_test
The current user is root
SCHED_OTHER
SCHED_RR 1 
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
Pthread 1 exit
SCHED_RR
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
Pthread 2 exit
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
Pthread 3 exit

可以看出并没有每一次都保证高优先级的线程先运行。

reference：

• https://www.cnblogs.com/xiaotlili/p/3510224.html
• http://blog.chinaunix.net/uid-20788636-id-1841334.html
• http://blog.chinaunix.net/uid-20788636-id-1841335.html