Linux 中实时任务调度与优先级

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 Linux 系统中下面几个概念：

实时进程和普通进程的调度策略；

Linux 中混乱的进程优先级是如何计算的；

CPU亲和性的测试；

多处理器（SMP）遇到实时进程和普通进程的程序设计；

道哥的脑袋被门夹了一下的短路经历；

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：

1． 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；

2． 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。

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（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（100 － 1 － 0 ＝ 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（100 － 1 － 99 ＝ 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（100 ＋ 20 ＋ （－20） ＝ 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（100 ＋20 ＋19 ＝ 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；

这个顺序能够保证在后面设置继承的 CPU 亲和性时，CPU＿SET， CEPU＿ZERO这两个函数能被顺利定位到。

／／ 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（＂＝＝＝＝＞ thread＿index ＝ ％d ＂， thread＿index）；
   pthread＿getschedparam（pthread＿self（）， ＆policy， ＆param）；
   if （SCHED＿OTHER ＝＝ policy）
       printf（＂thread＿index ％d： SCHED＿OTHER ＂， thread＿index）；
   else if （SCHED＿FIFO ＝＝ policy）
       printf（＂thread＿index ％d： SCHED＿FIFO ＂， thread＿index）；
   else if （SCHED＿RR ＝＝ policy）
       printf（＂thread＿index ％d： SCHED＿RR ＂， thread＿index）；
   printf（＂thread＿index ％d： priority ＝ ％d ＂， 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。