Linux实时进程调度

日期	内核版本	架构	作者	GitHub	CSDN
2016-07-12	Linux-4.6	X86 & arm	gatieme	LinuxDeviceDrivers	Linux进程管理与调度

按照POSIX的标准的强制要求, 除了"普通"进程之外, Linux还支持两种实时调度类.

调度器结构使得实时进程可以平滑集成到内核中, 而无需修改核心调度器, 这显然是调度类带来的好处.

实时进程与普通进程有一个根本的不同之处: 如果系统中有一个实时进程且可运行, 那么调度器总是会选中它运行, 除非有另外一个优先级更高的实时进程.

现有的两种实时类, 不同之处如下所示:

名称	调度策略	描述
循环进程	SCHED_RR	有时间片, 其值在进程运行时会减少, 就像是普通进程. 在所有的时间段到期后, 则该值重置为初始值, 而进程则置与队列的末尾, 这保证了在有几个相同优先级相同的SCHED_RR进程的情况下, 他们总是依次执行
先进先出进程	SCHED_FIFO	没有时间片, 在被调度器选择执行后, 可以运行任意长时间.

很明显, 如果实时进程编写的比较差, 系统可能长时间无法使用. 最简单的例子, 只要写一个无限循环, 循环体内不进入休眠即可. 因而我们在编写实时应用程序时, 应该格外小心.

#实时进程的数据结构

##实时调度器类

实时进程的调度器类用rt_sched_class来表示, 其定义在kernel/sched/rt.c, line 2326中, 如下所示.

const struct sched_class rt_sched_class = 
{
    .next           = &fair_sched_class,
    .enqueue_task       = enqueue_task_rt,
    .dequeue_task       = dequeue_task_rt,
    .yield_task         = yield_task_rt,

    .check_preempt_curr     = check_preempt_curr_rt,

    .pick_next_task     = pick_next_task_rt,
    .put_prev_task      = put_prev_task_rt,

#ifdef CONFIG_SMP
    .select_task_rq     = select_task_rq_rt,

    .set_cpus_allowed       = set_cpus_allowed_common,
    .rq_online          = rq_online_rt,
    .rq_offline         = rq_offline_rt,
    .task_woken         = task_woken_rt,
    .switched_from      = switched_from_rt,
#endif

    .set_curr_task      = set_curr_task_rt,
    .task_tick          = task_tick_rt,

    .get_rr_interval    = get_rr_interval_rt,

    .prio_changed       = prio_changed_rt,
    .switched_to        = switched_to_rt,

    .update_curr        = update_curr_rt,
};

实时调度器类的实现比完全调度器简单.

##实时进程的优先级

实时进程的特点在于其优先级比普通进程高, 对应地, 其static_prio值总是普通进程低.

task_has_rt_policy则检测进程是否关联到实时进程策略.

linux优先级的表示

在用户空间通过nice命令设置进程的静态优先级, 这在内部会调用nice系统调用, 进程的nice值在-20~+19之间. 值越低优先级越高.

setpriority系统调用也可以用来设置进程的优先级. 它不仅能够修改单个线程的优先级, 还能修改进程组中所有进程的优先级, 或者通过制定UID来修改特定用户的所有进程的优先级

内核使用一些简单的数值范围0~139表示内部优先级, 数值越低, 优先级越高。

从0~~99的范围专供实时进程使用, nice的值[-20,19]则映射到范围100~~139, 即普通进程的优先级

优先级范围	描述
0——99	实时进程
100——139	非实时进程

内核表示优先级的所有信息基本都放在include/linux/sched/prio.h中, 其中定义了一些表示优先级的宏和函数.

而MAX_RT_PRIO - 1 = 99指定了实时进程的最大优先级, 而MAX_PRIO - 1 = 139则是普通进程的最大优先级数值

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/prio.h?v=4.6#L22
#define MAX_USER_RT_PRIO        100
#define MAX_RT_PRIO             MAX_USER_RT_PRIO

#define MAX_PRIO                (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH)
#define DEFAULT_PRIO            (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)

宏	值	描述
MIN_NICE	-20	对应于优先级100, 可以使用NICE_TO_PRIO和PRIO_TO_NICE转换
MAX_NICE	19	对应于优先级139, 可以使用NICE_TO_PRIO和PRIO_TO_NICE转换
NICE_WIDTH	40	nice值得范围宽度, 即[-20, 19]共40个数字的宽度
MAX_RT_PRIO, MAX_USER_RT_PRIO	100	实时进程的最大优先级
MAX_PRIO	140	普通进程的最大优先级
DEFAULT_PRIO	120	进程的默认优先级, 对应于nice=0
MAX_DL_PRIO	0	使用EDF最早截止时间优先调度算法的实时进程最大的优先级
`

##实时就绪队列

核心调度器的就绪队列也包含了用于实时进程的子就绪队列, 是一个嵌入的struct rt_rq实例.

参见struct rq的定义

struct rq
{
	/*  ...... */
    struct rt_rq rt;
	/*  ...... */
}

实时rt进程的就绪队列定义在kernel/sched/sched.h, line 450中

/* Real-Time classes' related field in a runqueue: */
struct rt_rq {
    struct rt_prio_array active;
    unsigned int rt_nr_running;
    unsigned int rr_nr_running;
#if defined CONFIG_SMP || defined CONFIG_RT_GROUP_SCHED
    struct {
        int curr; /* highest queued rt task prio */
#ifdef CONFIG_SMP
        int next; /* next highest */
#endif
    } highest_prio;
#endif
#ifdef CONFIG_SMP
    unsigned long rt_nr_migratory;
    unsigned long rt_nr_total;
    int overloaded;
    struct plist_head pushable_tasks;
#ifdef HAVE_RT_PUSH_IPI
    int push_flags;
    int push_cpu;
    struct irq_work push_work;
    raw_spinlock_t push_lock;
#endif
#endif /* CONFIG_SMP */
    int rt_queued;

    int rt_throttled;
    u64 rt_time;
    u64 rt_runtime;
    /* Nests inside the rq lock: */
    raw_spinlock_t rt_runtime_lock;

#ifdef CONFIG_RT_GROUP_SCHED
    unsigned long rt_nr_boosted;

    struct rq *rq;
    struct task_group *tg;
#endif

其主要包含了rt_prio_array

/*
 * This is the priority-queue data structure of the RT scheduling class:
 */
struct rt_prio_array {
    DECLARE_BITMAP(bitmap, MAX_RT_PRIO+1); /* include 1 bit for delimiter */
    struct list_head queue[MAX_RT_PRIO];
};

具有相同优先级的所有实时进程都保存在一个链表中, 表头为active.queue[prio], 而active.bitmap位图中每个比特位对应于一个链表, 凡包含了进程的链表, 对应的比特位置位. 如果连表中没有进程, 则对应的比特位不置位.

##实时进程的判断

内核可以通过rt_task宏可以通过检查其优先级来检测给定进程是否是实时进程, 该函数定义在include/linux/sched/rt.h, line 13

//  http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/sched/rt.h?v4.6#L6
static inline int rt_prio(int prio)
{
	if (unlikely(prio < MAX_RT_PRIO))
		return 1;
	return 0;
}

static inline int rt_task(struct task_struct *p)
{
	return rt_prio(p->prio);
}