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Linux :多處理器遇到實時進程和普通進程的程序設計

2021-06-16 13:58
道哥分享
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失敗是成功之母,這篇文章就是一次真實的失敗調試記錄。

通過這篇文章,您能深刻體驗到 Linux 系統(tǒng)中下面幾個概念:

實時進程和普通進程的調度策略;

Linux 中混亂的進程優(yōu)先級是如何計算的;

CPU親和性的測試;

多處理器(SMP)遇到實時進程和普通進程的程序設計;

道哥的腦袋被門夾了一下的短路經(jīng)歷;

背景知識:Linux 調度策略

關于進程的調度策略,不同的操作系統(tǒng)有不同的整體目標,因此調度算法也就各不相同。

這需要根據(jù)進程的類型(計算密集型?IO密集型?)、優(yōu)先級等因素來進行選擇。

對于 Linux  x86 平臺來說,一般采用的是 CFS:完全公平調度算法。

之所以叫做完全公平,是因為操作系統(tǒng)以每個線程占用 CPU 的比率來進行動態(tài)的計算,操作系統(tǒng)希望每一個進程都能夠平均的使用 CPU 這個資源,雨露均沾。

我們在創(chuàng)建一個線程的時候,默認就是這個調度算法 SCHED_OTHER,默認的優(yōu)先級為 0。

PS: 在 Linux 操作系統(tǒng)中,線程的內(nèi)核對象與進程的內(nèi)核對象(其實就是一些結構體變量)是很類似的,所以線程可以說是輕量級的進程。

在本文中,可以把線程約等于進程,有的地方也可能稱為任務,在不同的語境下有一些不同的慣用說法。

可以這么理解:如果系統(tǒng)中一共有 N 個進程,那么每個進程會得到 1/N 的執(zhí)行機會。每個進程執(zhí)行一段時間之后,就被調出,換下一個進程執(zhí)行。

如果這個 N 的數(shù)量太大了,導致每個進程剛開始執(zhí)行時,分給它的時間就到了。如果這個時候就進行任務調度,那么系統(tǒng)的資源就耗費在進程上下文切換上去了。

因此,操作系統(tǒng)引入了最小粒度,也就是每個進程都有一個最小的執(zhí)行時間保證,稱作時間片。

除了 SCHED_OTHER 調度算法,Linux 系統(tǒng)還支持兩種實時調度策略:

1. SCHED_FIFO:根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調度,一旦搶占到 CPU 則一直運行,直達自己主動放棄或被被更高優(yōu)先級的進程搶占;

2. SCHED_RR:在 SCHED_FIFO 的基礎上,加上了時間片的概念。當一個進程搶占到 CPU 之后,運行到一定的時間后,調度器會把這個進程放在 CPU 中,當前優(yōu)先級進程隊列的末尾,然后選擇另一個相同優(yōu)先級的進程來執(zhí)行;

本文想測試的就是 SCHED_FIFO 與普通的 SCHED_OTHER 這兩種調度策略混合的情況。

背景知識:Linux 線程優(yōu)先級

在 Linux 系統(tǒng)中,優(yōu)先級的管理顯得比較混亂,先看下面這張圖:

這張圖表示的是內(nèi)核中的優(yōu)先級,分為兩段。

前面的數(shù)值 0-99 是實時任務,后面的數(shù)值 100-139 是普通任務。

數(shù)值越低,代表這個任務的優(yōu)先級越高。

數(shù)值越低,代表這個任務的優(yōu)先級越高。

數(shù)值越低,代表這個任務的優(yōu)先級越高。

再強調一下,以上是從內(nèi)核角度來看的優(yōu)先級。

好了,重點來了:

我們在應用層創(chuàng)建線程的時候,設置了一個優(yōu)先級數(shù)值,這是從應用層角度來看的優(yōu)先級數(shù)值。

但是內(nèi)核并不會直接使用應用層設置的這個數(shù)值,而是經(jīng)過了一定的運算,才得到內(nèi)核中所使用的優(yōu)先級數(shù)值(0 ~ 139)。

1. 對于實時任務

我們在創(chuàng)建線程的時候,可以通過下面這樣的方式設置優(yōu)先級數(shù)值(0 ~ 99):

struct sched_param param;
param.__sched_priority = xxx;

當創(chuàng)建線程函數(shù)進入內(nèi)核層面的時候,內(nèi)核通過下面這個公式來計算真正的優(yōu)先級數(shù)值:

kernel priority = 100 - 1 - param.__sched_priority

如果應用層傳入數(shù)值 0,那么在內(nèi)核中優(yōu)先級數(shù)值就是 99(100 - 1 - 0 = 99),在所有實時任務中,它的優(yōu)先級是最低的。

如果應用層傳輸數(shù)值 99,那么在內(nèi)核中優(yōu)先級數(shù)值就是 0(100 - 1 - 99 = 0),在所有實時任務中,它的優(yōu)先級是最高的。

因此,從應用層的角度看,傳輸人優(yōu)先級數(shù)值越大,線程的優(yōu)先級就越高;數(shù)值越小,優(yōu)先級就越低。

與內(nèi)核角度是完全相反的!

2. 對于普通任務

調整普通任務的優(yōu)先級,是通過 nice 值來實現(xiàn)的,內(nèi)核中也有一個公式來把應用層傳入的 nice 值,轉成內(nèi)核角度的優(yōu)先級數(shù)值:

kernel prifoity = 100 + 20 + nice

nice 的合法數(shù)值是:-20 ~ 19。

如果應用層設置線程 nice 數(shù)值為 -20,那么在內(nèi)核中優(yōu)先級數(shù)值就是 100(100 + 20 + (-20) = 100),在所有的普通任務中,它的優(yōu)先級是最高的。

如果應用層設置線程 nice 數(shù)值為 19,那么在內(nèi)核中優(yōu)先級數(shù)值就是 139(100 +20 +19 = 139),在所有的普通任務中,它的優(yōu)先級是最低的。

因此,從應用層的角度看,傳輸人優(yōu)先級數(shù)值越小,線程的優(yōu)先級就越高;數(shù)值越大,優(yōu)先級就越低。

與內(nèi)核角度是完全相同的!

背景知識交代清楚了,終于可以進行代碼測試了!

測試代碼說明

注意點:

#define _GNU_SOURCE 必須在 #include <sched.h> 之前定義;

#include <sched.h> 必須在 #include <pthread.h> 之前包含進來;

這個順序能夠保證在后面設置繼承的 CPU 親和性時,CPU_SET, CEPU_ZERO這兩個函數(shù)能被順利定位到。

// filename: test.c
#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sched.h>
#include <pthread.h>
// 用來打印當前的線程信息:調度策略是什么?優(yōu)先級是多少?
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);

// 線程函數(shù),
void *thread_routine(void *args)

   // 參數(shù)是:線程索引號。四個線程,索引號從 1 到 4,打印信息中使用。
   int thread_index = *(int *)args;
   // 為了確保所有的線程都創(chuàng)建完畢,讓線程睡眠1秒。
   sleep(1);
   // 打印一下線程相關信息:調度策略、優(yōu)先級。

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聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯(lián)系舉報。

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