良许Linux教程网 干货合集 一次脑残的记录:Linux 中实时任务调度与优先级

一次脑残的记录: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:

  1. 实时进程和普通进程的调度策略;
  2. Linux 中混乱的进程优先级是如何计算的;
  3. CPU亲和性的测试;
  4. 多处理器(SMP)遇到实时进程和普通进程的程序设计;
  5. 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

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:

  1. #define _GNU_SOURCE 必须在 #include 之前定义;
  2. #include 必须在 #include 之前包含进来;
  3. 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   
#include 
#include 
#include 
#include 

// 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 for (int j = 0; j 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 if (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 for (int i = 0; i 

编译成可执行程序的指令:

gcc -o test test.c -lpthread

脑残测试开始

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:

  1. 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);
  2. 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:

  1. 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;
  2. 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. 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:

  1. 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;
  2. 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) 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 16.04cpuinfo 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 Ubuntu14.04CPU 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:

  1. 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;
  2. 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 intimeLinux 系统中的 preemptxenomai 等实时补丁。

以上就是良许教程网为各位朋友分享的Linu系统相关内容。想要了解更多Linux相关知识记得关注公众号“良许Linux”,或扫描下方二维码进行关注,更多干货等着你 !

137e00002230ad9f26e78-265x300
本文由 良许Linux教程网 发布,可自由转载、引用,但需署名作者且注明文章出处。如转载至微信公众号,请在文末添加作者公众号二维码。
良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
上一篇
下一篇

发表评论

联系我们

联系我们

公众号:良许Linux

在线咨询: QQ交谈

邮箱: yychuyu@163.com

关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部
x
x