一次脑残的记录： Linux 中实时任务调度与优先级

背景知识：Linux 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？IO密集型？)、优先级等因素来进行选择。

对于 Linux x86 平台来说，一般采用的是 CFS：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 CPU 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 CPU 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 SCHED_OTHER，默认的优先级为 0。

PS: 在 Linux 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。

可以这么理解：如果系统中一共有 N 个进程，那么每个进程会得到 1/N 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 N 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 SCHED_OTHER 调度算法，Linux 系统还支持两种实时调度策略：

SCHED_FIFO：根据进程的优先级进行调度，一旦抢占到 CPU 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;

SCHED_RR：在 SCHED_FIFO 的基础上，加上了时间片的概念。当一个进程抢占到 CPU 之后，运行到一定的时间后，调度器会把这个进程放在 CPU 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 SCHED_FIFO 与普通的 SCHED_OTHER 这两种调度策略混合的情况。

背景知识：Linux 线程优先级

在 Linux 系统中，优先级的管理显得比较混乱，先看下面这张图：

这张图表示的是内核中的优先级，分为两段。

前面的数值 0-99 是实时任务，后面的数值 100-139 是普通任务。

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(0-139)。

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(0-99)：

struct sched_param param;
param.__sched_priority = xxx;

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：

kernel priority = 100 - 1 - param.__sched_priority

如果应用层传入数值 0，那么在内核中优先级数值就是 99，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 99，那么在内核中优先级数值就是 0，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的！

2. 对于普通任务

调整普通任务的优先级，是通过 nice 值来实现的，内核中也有一个公式来把应用层传入的 nice 值，转成内核角度的优先级数值：

kernel prifoity = 100 + 20 + nice

nice 的合法数值是：-20 - 19。

如果应用层设置线程 nice 数值为 -20，那么在内核中优先级数值就是 100，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 nice 数值为 19，那么在内核中优先级数值就是 139，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的！

背景知识交代清楚了，终于可以进行代码测试了！

测试代码说明

注意点：

#define _GNU_SOURCE 必须在 #include <sched.h> 之前定义;

#include <sched.h> 必须在 #include <pthread.h> 之前包含进来;

// filename: test.c
#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sched.h>
#include <pthread.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？
void get_thread_info(const int thread_index)
{
    int policy;
    struct sched_param param;

    printf("\n====> thread_index = %d \n", thread_index);

    pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, ¶m);
    if (SCHED_OTHER == policy)
        printf("thread_index %d: SCHED_OTHER \n", thread_index);
    else if (SCHED_FIFO == policy)
        printf("thread_index %d: SCHED_FIFO \n", thread_index);
    else if (SCHED_RR == policy)
        printf("thread_index %d: SCHED_RR \n", thread_index);

    printf("thread_index %d: priority = %d \n", thread_index, param.sched_priority);
}

// 线程函数，
void *thread_routine(void *args)
{
    // 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。
    int thread_index = *(int *)args;
    
    // 为了确保所有的线程都创建完毕，让线程睡眠1秒。
    sleep(1);

    // 打印一下线程相关信息：调度策略、优先级。
    get_thread_info(thread_index);

    long num = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 5000000; j++)
        {
            // 没什么意义，纯粹是模拟 CPU 密集计算。
            float f1 = ((i+1) * 345.45) * 12.3 * 45.6 / 78.9 / ((j+1) * 4567.89);
            float f2 = (i+1) * 12.3 * 45.6 / 78.9 * (j+1);
            float f3 = f1 / f2;
        }
        
        // 打印计数信息，为了能看到某个线程正在执行
        printf("thread_index %d: num = %ld \n", thread_index, num++);
    }
    
    // 线程执行结束
    printf("thread_index %d: exit \n", thread_index);
    return 0;
}

void main(void)
{
    // 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)
    int thread_num = 4;
    
    // 分配的线程索引号，会传递给线程参数
    int index[4] = {1, 2, 3, 4};

    // 用来保存 4 个线程的 id 号
    pthread_t ppid[4];
    
    // 用来设置 2 个实时线程的属性：调度策略和优先级
    pthread_attr_t attr[2];
    struct sched_param param[2];

    // 实时线程，必须由 root 用户才能创建
    if (0 != getuid())
    {
        printf("Please run as root \n");
        exit(0);
    }

    // 创建 4 个线程
    for (int i = 0; i < thread_num; i++)
    {
        if (i <= 1)    // 前2个创建实时线程
        {
            // 初始化线程属性
            pthread_attr_init(&attr[i]);
            
            // 设置调度策略为：SCHED_FIFO
            pthread_attr_setschedpolicy(&attr[i], SCHED_FIFO);
            
            // 设置优先级为 51，52。
            param[i].__sched_priority = 51 + i;
            pthread_attr_setschedparam(&attr[i], ¶m[i]);
            
            // 设置线程属性：不要继承 main 线程的调度策略和优先级。
            pthread_attr_setinheritsched(&attr[i], PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
            
            // 创建线程
            pthread_create(&ppid[i], &attr[i],(void *)thread_routine, (void *)&index[i]);
        }
        else        // 后两个创建普通线程
        {
            pthread_create(&ppid[i], 0, (void *)thread_routine, (void *)&index[i]);
        }
        
    }

    // 等待 4 个线程执行结束
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        pthread_join(ppid[i], 0);

    for (int i = 0; i < 2; i++)
        pthread_attr_destroy(&attr[i]);
}

编译成可执行程序的指令：

gcc -o test test.c -lpthread

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 4 个线程：

线程索引号 1和2：是实时线程(调度策略是 SCHED_FIFO，优先级是 51，52);

线程索引号 3和4：是普通线程(调度策略是 SCHED_OTHER, 优先级是 0);

我的测试环境是：Ubuntu16.04，是一台安装在 Windows10 上面的虚拟机。

我期望的结果是：

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;

1 号线程的优先级是 51，小于 2 号线程的优先级 52，因此应该是 2 号线程结束之后，才轮到 1 号线程执行;

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：

====> thread_index = 4 
thread_index 4: SCHED_OTHER 
thread_index 4: priority = 0 

====> thread_index = 1 
thread_index 1: SCHED_FIFO 
thread_index 1: priority = 51 

====> thread_index = 2 
thread_index 2: SCHED_FIFO 
thread_index 2: priority = 52 
thread_index 2: num = 0 
thread_index 4: num = 0 

====> thread_index = 3 
thread_index 3: SCHED_OTHER 
thread_index 3: priority = 0 
thread_index 1: num = 0 
thread_index 2: num = 1 
thread_index 4: num = 1 
thread_index 3: num = 0 
thread_index 1: num = 1 
thread_index 2: num = 2 
thread_index 4: num = 2 
thread_index 3: num = 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？

1 号和 2 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 Linux 系统的调度策略，这里记录一下。

Linux 系统中，为了不让实时任务彻底占据 CPU 资源，会让普通任务有很小的一段时间缝隙来执行。

在目录 /proc/sys/kernel 下面，有 2 个文件，用来限制实时任务占用 CPU 的时间：

sched_rt_runtime_us: 默认值 950000
sched_rt_period_us: 默认值 1000000

意思是：在 1000000 微秒(1秒)的周期内，实时任务占用 950000 微秒(0.95秒)，剩下的 0.05 秒留给普通任务。

如果没有这个限制的话，假如某个 SCHED_FIFO 任务的优先级特别高，恰巧出了 bug：一直占据 CPU 资源不放弃，那么我们压根就没有机会来 kill 掉这个实时任务，因为此时系统无法调度其他的任何进程来执行。

而有了这个限制呢，我们就可以利用这 0.05 秒的执行时间，来 kill 掉有 bug 的那个实时任务。

回到正题：资料上说，如果实时任务没有被优先调度，可以把这个时间限制删掉就可以了。方法是：

sysctl -w kernel.sched_rt_runtime_us=-1

我照做之后，依旧无效！

换一台虚拟机，继续测试

难道是电脑环境的问题吗？于是，把测试代码放到另一台笔记本里的虚拟机 Ubuntu14.04 里测试。

编译的时候，有一个小问题，提示错误：

error: ‘for’ loop initial declarations are only allowed in C99 mode

只要把编译指令中添加 C99 标准就可以了：

gcc -o test test.c -lpthread -std=c99

执行程序，打印信息如下：

====> thread_index = 2 

====> thread_index = 1 
thread_index 1: SCHED_FIFO 
thread_index 1: priority = 51 
thread_index 2: SCHED_FIFO 
thread_index 2: priority = 52 
thread_index 1: num = 0 
thread_index 2: num = 0 
thread_index 2: num = 1 
thread_index 1: num = 1 
thread_index 2: num = 2 
thread_index 1: num = 2 
thread_index 2: num = 3 
thread_index 1: num = 3 
thread_index 2: num = 4 
thread_index 1: num = 4 
thread_index 2: num = 5 
thread_index 1: num = 5 
thread_index 2: num = 6 
thread_index 1: num = 6 
thread_index 2: num = 7 
thread_index 1: num = 7 
thread_index 2: num = 8 
thread_index 1: num = 8 
thread_index 2: num = 9 
thread_index 2: exit 

====> thread_index = 4 
thread_index 4: SCHED_OTHER 
thread_index 4: priority = 0 
thread_index 1: num = 9 
thread_index 1: exit 

====> thread_index = 3 
thread_index 3: SCHED_OTHER 
thread_index 3: priority = 0 
thread_index 3: num = 0 
thread_index 4: num = 0 
thread_index 3: num = 1 
thread_index 4: num = 1 
thread_index 3: num = 2 
thread_index 4: num = 2 
thread_index 3: num = 3 
thread_index 4: num = 3 
thread_index 3: num = 4 
thread_index 4: num = 4 
thread_index 3: num = 5 
thread_index 4: num = 5 
thread_index 3: num = 6 
thread_index 4: num = 6 
thread_index 3: num = 7 
thread_index 4: num = 7 
thread_index 3: num = 8 
thread_index 4: num = 8 
thread_index 3: num = 9 
thread_index 3: exit 
thread_index 4: num = 9 
thread_index 4: exit

1 号和 2 号线程同时执行，完毕之后，再 3 号和 4 号线程同时执行。

但是这同样也不符合预期：2 号线程的优先级比 1 号线程高，应该优先执行才对！

不知道应该怎么查这个问题了，想不出思路，只好请教 Linux 内核的大神，建议检查一下内核版本。

这时，我才想起来在 Ubuntu16.04 这台虚拟机上因为某种原因，降过内核版本。

往这个方向去排查了一下，最后确认也不是内核版本的差异导致的问题。

比较结果，寻找差异

只好再回过头来看一下这两次次打印信息的差异：

工作电脑里的 Ubuntu16.04 中：4 个线程同时调度执行，调度策略和优先级都没有起作用;

笔记本里的 Ubuntu14.04 中：1 号和 2 号实时任务被优先执行了，说明调度策略起作用了，但是优先级没有起作用;

突然, CPU 的亲和性从脑袋里蹦了出来！

紧接着立马感觉到问题出在哪里了：这TMD大概率就是多核引起的问题！

于是我把这 4 个线程都绑定到 CPU0 上去，也就是设置 CPU 亲和性。

在线程入口函数 thread_routine 的开头，增加下面的代码：

cpu_set_t mask;
int cpus = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(0, &mask);
if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(mask), &mask) < 0)
{
    printf("set thread affinity failed! \n");
}

然后继续在 Ubuntu16.04 虚拟机中验证，打印信息很完美，完全符合预期：

====> thread_index = 1 

====> thread_index = 2 
thread_index 2: SCHED_FIFO 
thread_index 2: priority = 52 
thread_index 2: num = 0 
。。。
thread_index 2: num = 9 
thread_index 2: exit 
thread_index 1: SCHED_FIFO 
thread_index 1: priority = 51 
thread_index 1: num = 0 
。。。
thread_index 1: num = 9 
thread_index 1: exit 

====> thread_index = 3 
thread_index 3: SCHED_OTHER 
thread_index 3: priority = 0 

====> thread_index = 4 
thread_index 4: SCHED_OTHER 
thread_index 4: priority = 0 
thread_index 3: num = 0 
thread_index 4: num = 0 
。。。
thread_index 4: num = 8 
thread_index 3: num = 8 
thread_index 4: num = 9 
thread_index 4: exit 
thread_index 3: num = 9 
thread_index 3: exit

至此，问题真相大白：就是多核处理器导致的问题!

而且这两台测试的虚拟机，安装的时候分配的 CPU 核心是不同的，所以才导致打印结果的不同。

真相大白

最后，再确认一下这 2 个虚拟机中的 CPU 信息：

Ubuntu 16.04 中 cpuinfo 信息：

$ cat /proc/cpuinfo 
processor : 0
vendor_id : GenuineIntel
cpu family : 6
model  : 158
model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz
stepping : 10
cpu MHz  : 2807.996
cache size : 9216 KB
physical id : 0
siblings : 4
core id  : 0
cpu cores : 4
。。。其他信息

processor : 1
vendor_id : GenuineIntel
cpu family : 6
model  : 158
model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz
stepping : 10
cpu MHz  : 2807.996
cache size : 9216 KB
physical id : 0
siblings : 4
core id  : 1
cpu cores : 4
。。。其他信息

processor : 2
vendor_id : GenuineIntel
cpu family : 6
model  : 158
model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz
stepping : 10
cpu MHz  : 2807.996
cache size : 9216 KB
physical id : 0
siblings : 4
core id  : 2
cpu cores : 4
。。。其他信息

processor : 3
vendor_id : GenuineIntel
cpu family : 6
model  : 158
model name : Intel(R) Core(TM) i5-8400 CPU @ 2.80GHz
stepping : 10
cpu MHz  : 2807.996
cache size : 9216 KB
physical id : 0
siblings : 4
core id  : 3
cpu cores : 4
。。。其他信息

在这台虚拟机中，正好有 4 个核心，而我的测试代码正好也创建了 4 个线程，于是每个核心被分配一个线程，一个都不闲着，同时执行。

因此打印信息中显示 4 个线程是并行执行的。

这个时候，什么调度策略、什么优先级，都不起作用了！(准确的说：调度策略和优先级，在线程所在的那个 CPU 中是起作用的)

如果我在测试代码中，一开始就创建 10 个线程，很可能会更快发现问题！

再来看看笔记本电脑里虚拟机 Ubuntu14.04 的 CPU 信息：

$ cat /proc/cpuinfo 
processor	: 0
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 142
model name	: Intel(R) Core(TM) i5-7360U CPU @ 2.30GHz
stepping	: 9
microcode	: 0x9a
cpu MHz		: 2304.000
cache size	: 4096 KB
physical id	: 0
siblings	: 2
core id		: 0
cpu cores	: 2
。。。其他信息


processor	: 1
vendor_id	: GenuineIntel
cpu family	: 6
model		: 142
model name	: Intel(R) Core(TM) i5-7360U CPU @ 2.30GHz
stepping	: 9
microcode	: 0x9a
cpu MHz		: 2304.000
cache size	: 4096 KB
physical id	: 0
siblings	: 2
core id		: 1
cpu cores	: 2
。。。其他信息

在这台虚拟机中，有 2 个核心，于是 2 个实时任务 1 号和 2 号被优先执行(因为是 2 个核心同时执行，所以这 2 个任务的优先级也就没什么意义了)，结束之后，再执行 3 号和 4 号线程。

再思考一下

这一圈测试下来，真的想用键盘敲自己的脑袋，怎么就没有早点考虑到多核的因素呢？！

深层的原因：

之前的很多项目，都是 ARM、mips、STM32等单核情况，思维定式让我没有早点意识到多核这个屏体因素;

做过的一些 x86 平台项目，并没有涉及到实时任务这样的要求。一般都是使用系统默认的调度策略，这也是 Linux x86 作为通用电脑，在调度策略上所关注的重要指标：让每一个任务都公平的使用 CPU 资源。

随着 x86 平台在工控领域的逐渐应用，实时性问题就显得更突出、更重要了。

所以才有了 Windows 系统中的 intime，Linux 系统中的 preempt、xenomai 等实时补丁。

------ End ------

sewain

一次脑残的记录： Linux 中实时任务调度与优先级

公告