1、綜述

Linux作為多任務、多用戶的操作系統(tǒng)，其進程/線程調(diào)度管理是實現(xiàn)這些特性的關鍵部分。調(diào)度管理決定系統(tǒng)中的眾多線程中哪個線程獲得執(zhí)行、什么時候開始執(zhí)行、執(zhí)行多久。一個好的調(diào)度算法能優(yōu)化系統(tǒng)資源的使用，提高系統(tǒng)使用效率。

Linux內(nèi)核中實現(xiàn)了Scheduler Classes，來實現(xiàn)多個調(diào)度類（Scheduler class）的協(xié)同工作，每個不同的調(diào)度類對應不同的類型的線程，而且每個調(diào)度類都有自身的優(yōu)先級，Linux調(diào)度管理基礎代碼會遍歷在內(nèi)核中注冊了的調(diào)度類，選擇高優(yōu)先級的調(diào)度類，然后讓此調(diào)度類按照自己的調(diào)度算法選擇下一個執(zhí)行的線程。Linux系統(tǒng)中常用的幾種調(diào)度類為SCHED_NORMAL、SCHED_FIFO、SCHED_RR。其中SCHED_NORMAL是用于普通線程的調(diào)度類，而SCHED_FIFO和SCHED_RR是用于實時線程的調(diào)度類，優(yōu)先級高于SCHED_NORMAL。內(nèi)核中區(qū)分普通線程與實時線程是根據(jù)線程的優(yōu)先級，實時線程擁有實時優(yōu)先級（real-time priority），默認取值為0~99，數(shù)值越高優(yōu)先級越高，而普通線程只具有nice值，nice值映射到用戶層的取值范圍為-20～+19，數(shù)值越高優(yōu)先級越低，默認初始值為0 ，子線程會繼承父線程的優(yōu)先級。對于實時線程，Linux系統(tǒng)會盡量使其調(diào)度延時在一個時間期限內(nèi)，但是不能保證總是如此，不過正常情況下已經(jīng)可以滿足比較嚴格的時間要求了。下面將分別介紹這些調(diào)度類。

2、SCHED_NORMAL

對于SCHED_NORMAL，2.6之前的版本內(nèi)核中的調(diào)度管理程序是根據(jù)線程的優(yōu)先級（nice值）來分配一個固定的時間片（timeslice）給線程，比如nice值0對應于100ms的時間片，而nice值-20對應于5ms時間片，線程在執(zhí)行過程中進入阻塞狀態(tài)（I/O操作等引起）或者是執(zhí)行的時間達到分配的時間片后將會被搶占，而新進入運行態(tài)的線程會根據(jù)其優(yōu)先級和可用時間片來決定是否搶占當前正在執(zhí)行的程序。

2.6之后版本的Linux中SCHED_NORMAL使用的是Linux 內(nèi)核在2.6.23版本中引入的CFS（Complete Fair Scheduler）調(diào)度管理程序。CFS與之前的調(diào)度不同的是，線程的優(yōu)先級與時間片之間并沒有一個固定的關系，而是影響該線程在整個系統(tǒng)CPU運行時間中占有比例的一個因素。比如有兩個線程，對應的nice值分別為0（普通線程）和+19（低優(yōu)先級線程），那么普通線程將會占有19/20×100%的CPU時間，而低優(yōu)先級線程將會占有1/20×100%的CPU時間（具體數(shù)值只做舉例說明用，Linux內(nèi)核中的計算出來的數(shù)值會不一樣）。而如果同時運行的只有兩個相同優(yōu)先級的線程，那么他們分到的CPU時間各是50%。這樣每個線程能夠分配到的CPU時間占有比例跟系統(tǒng)當前的負載（所有處于運行態(tài)的線程數(shù)以及各線程的優(yōu)先級）有關，同一個線程在他本身優(yōu)先級不變的情況下分到的CPU時間占比會根據(jù)系統(tǒng)負載變化而發(fā)生變化，也即與時間片沒有一個固定的對應關系。

理想情況下CFS對CPU時間占比的衡量是在一個無限小的時間片內(nèi)計算單個線程執(zhí)行時間的占比，CFS的目標是所有線程在這個小的時間片周期內(nèi)執(zhí)行的時間都是相同的，無限小在現(xiàn)實中顯然是不存在的，Linux系統(tǒng)中這個時間片周期是與系統(tǒng)CPU數(shù)有關的，默認情況下單核CPU對應6ms，雙核CPU對應12ms，8核CPU對應24ms，當線程數(shù)增加到很大數(shù)量時，CFS會保證每個線程獲得最小執(zhí)行時間， 單核CPU對應0.75ms，雙核CPU對應1.5ms，8核CPU對應3ms。在CFS管理下，某個線程運行時如果進入阻塞態(tài)（或其他非運行態(tài)）或者當前時間片周期內(nèi)的CPU時間占比達到后將會暫停運行，CFS然后將會選擇當前時間片周期內(nèi)已執(zhí)行時間最少的運行態(tài)線程繼續(xù)運行。當然CPU時間占比在內(nèi)核中也是以運行時間衡量的，比如某個單核CPU系統(tǒng)中只有兩個相同優(yōu)先級的線程同時處于運行態(tài)，那么CFS將會以6ms為周期來調(diào)度所有線程，而每個6ms周期內(nèi)每個線程分得3ms執(zhí)行時間，如果某個線程中有I/O操作等其他操作使該線程進入非運行態(tài)，CFS將會立即使另外一個線程繼續(xù)運行，如果兩個線程都是基本沒有I/O操作等會引起阻塞的操作（比如忙循環(huán)），那么線程將會在自己的執(zhí)行時間結(jié)束（本質(zhì)上是超出CPU時間占比）后被CFS程序調(diào)度出當前正在執(zhí)行的狀態(tài)，另外一個線程獲得CPU資源開始執(zhí)行。

需要注意的是，進入CFS（或其他調(diào)度算法）需要調(diào)度事件的產(chǎn)生，調(diào)度事件可以是線程自己調(diào)用函數(shù)顯示執(zhí)行調(diào)度，或者線程執(zhí)行I/O操作等會進入阻塞的操作以及等待的事件發(fā)生線程進入運行態(tài)等（內(nèi)核中有固定的調(diào)度點），如果一個程序一直處于忙計算（比如忙循環(huán)程序），那么就會需要系統(tǒng)軟時間中斷來產(chǎn)生調(diào)度事件從而進入CFS調(diào)度判斷下一個可執(zhí)行程序。目前我們的Linux內(nèi)核普遍配置的系統(tǒng)軟時間中斷產(chǎn)生的頻率為100Hz，也即每10ms產(chǎn)生一次中斷，那么系統(tǒng)中只有忙計算類（如忙循環(huán)）線程的情況下，只有當系統(tǒng)產(chǎn)生軟時間中斷時，CFS才會被調(diào)用來判斷下一個執(zhí)行的線程并使其占有CPU開始執(zhí)行，這個現(xiàn)象看起來就好象是Linux調(diào)度策略簡單的給每個線程分配了10ms的時間片，其實并不是這樣。如果系統(tǒng)中同時有忙計算類的線程和經(jīng)常進行I/O操作類的線程，由于I/O類線程基本處于等待事件的阻塞態(tài)中，執(zhí)行的時間很少，而計算類線程在執(zhí)行的時間會比較長，如果計算類線程正在執(zhí)行時，I/O類線程等待的事件發(fā)生了，CFS馬上就會判斷出I/O類線程在之前時間段內(nèi)執(zhí)行的時間很少，即已使用的CPU占比與分配給他的相比很小，而計算類線程很有可能已經(jīng)超過了分配的CPU占比，那么CFS將會馬上使I/O類的線程占有CPU開始執(zhí)行，如此系統(tǒng)總是能及時響應I/O類線程。

3、SCHED_FIFO和SCHED_RR

SCHED_FIFO和SCHED_RR是實時線程使用的調(diào)度管理算法。SCHED_FIFO即先進先出，處于相同優(yōu)先級的實時線程會根據(jù)進入運行態(tài)的次序依次執(zhí)行。正在執(zhí)行的線程會一直執(zhí)行直到線程阻塞或者其主動調(diào)用調(diào)度線程放棄執(zhí)行，處于此調(diào)度策略下的線程沒有預先分配的時間片，可以永遠執(zhí)行下去。只有擁有更高實時優(yōu)先級且處于SCHED_RR或者SCHED_FIFO管理下的線程能搶占正在運行的實時線程。

SCHED_RR在SCHED_FIFO的基礎上會預先給定線程一個時間片，時間片達到后會使其他相同優(yōu)先級的線程開始執(zhí)行。SCHED_RR的時間片輪詢機制只對同等實時優(yōu)先級的線程有效，更高實時優(yōu)先級的線程總是會搶占正在執(zhí)行的線程，而低優(yōu)先級的線程不能搶占高優(yōu)先級的線程，即使其時間片已到。

實時線程優(yōu)先級高于所有普通線程，如果有實時線程處于運行態(tài)，則系統(tǒng)調(diào)度時一定會選擇調(diào)用實時線程；正在運行的實時線程只會被擁有更高實時優(yōu)先級的線程搶占。所以在應用中如果需要將某個線程設置為實時線程，則需要用戶自己確保該線程不會處于忙執(zhí)行而完全占用CPU資源，導致其他普通線程沒法獲得CPU資源而一直被阻塞得不到執(zhí)行，并且需要合理給予優(yōu)先級的值，太高有可能會影響重要系統(tǒng)線程的運行。所有用戶態(tài)線程默認沒有實時優(yōu)先級，都屬于普通線程。

4、相關接口函數(shù)

Linux系統(tǒng)提供了一系列函數(shù)，這些函數(shù)可以讓用戶方便的修改線程/進程的優(yōu)先級（包括nice值和real-time priority）、以及修改調(diào)度策略、設置運行線程的CPU核心等。下面簡單介紹一下常用的函數(shù)。

（1）修改nice值

int nice ( int incr )

將調(diào)用進程的nice值增加incr，incr為負數(shù)是提高優(yōu)先級，為正數(shù)時降低優(yōu)先級。成功返回0。

int setpriority ( int which, id_t who, int prio )

將指定的線程/線程組/用戶的nice值設置為prio，whice對應可以取值PRIO_PROCESS、PRIO_PGRP、PRIO_USER，who對應為線程/進程id，組id或者用戶id，prio取值范圍為-20～19。成功返回0,錯誤返回-1。

（2）修改real-time priority以及調(diào)度策略

int pthread_attr_setschedparam (pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param)

設置調(diào)度屬性。對于SCHED_FIFO和SCHED_RR，sched_param值包含 int sched_priority，也即real-time priority。下面所有param定義相同。

int pthread_attr_getschedparam (const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param)

獲取調(diào)度屬性。

int pthread_attr_setschedpolicy (pthread_attr_t *attr, int policy)

設置調(diào)度策略，policy可設置為SCHED_FIFO，SCHED_RR和SCHED_NORMAL。

int pthread_attr_getschedpolicy (const pthread_attr_t *attr, int *policy)

獲取調(diào)度策略。

int sched_setparam (pid_t pid, const struct sched_param *param)

設置pid進程的real-time priority，需要pid進程出具SCHED_FIFO或者SCHED_RR調(diào)度策略管理下。

int sched_getparam(pid_t pid, struct sched_param *param)

獲取real-time priority。

int sched_setscheduler (pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param)

設置pid進程的調(diào)度策略以及調(diào)度屬性。

int sched_getscheduler (pid_t pid)

返回pid進程調(diào)度策略。

（3）設置線程在哪個CPU核心上運行

int pthread_setaffinity_np (pthread_t thread, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset)

int pthread_getaffinity_np (pthread_t thread, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset)

int sched_setaffinity (pid_t pid, size_t cpusetsize, const cpu_set_t *cpuset)

int sched_getaffinity(pid_t pid, size_t cpusetsize, cpu_set_t *cpuset)

設置/獲取線程可以運行的CPU核心， cpusetsize 可以設置為sizeof(cpu_set_t), cpuset可以用宏CPU_ZERO和CPU_SET設置，函數(shù)設置成功后，線程將只會在設置的CPU核心（比如8核CPU可以設置核心1、3、4）上運行，如果cpuset只指定了一個核心，那么線程將只會在此核心上運行。函數(shù)出錯返回-1,成功返回0。

關于以上函數(shù)以及更多與調(diào)度相關的函數(shù)的詳細信息請參考

http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/pthread.h.html

http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/sched.h.html

以及相關函數(shù)的Linux man手冊和其他相關書籍資料。

5、編程示例

下面提供一個示例程序，程序用于展示real-time priority對于進程運行時調(diào)度管理的影響，程序運行于ESM6802（雙核）工控主板上。程序會在主進程中使用fork新建一個進程，然后調(diào)用sched_setscheduler設置子進程的實時優(yōu)先級為30, 同時設置其使用SCHED_FIFO調(diào)度策略，而主進程只有nice值為0 的普通優(yōu)先級。兩個進程主體部分相同，均為在忙循環(huán)中置高然后置低一位GPIO的輸出電平，通過示波器觀察GPIO的狀態(tài)，如果進程一直執(zhí)行，則會看到連續(xù)的周期較固定的方波，而如果進程被其他進程搶占，則會看到GPIO的狀態(tài)很長時間沒有發(fā)生變化，以此來展示實時優(yōu)先級對系統(tǒng)調(diào)度的影響。程序部分代碼如下：

int gpio = GPIO6;

structsched_param rt_param = {

.sched_priority = 30 }; //實時優(yōu)先級30

child_pid = fork(); //創(chuàng)建子進程

if(child_pid!=0) //child_pid不等于0為主進程，等于0為子進程

{

if( -1 == sched_setscheduler ( child_pid, SCHED_FIFO, &rt_param ) )

printf("sched_setscheduler failed\n");

//設置子進程實時優(yōu)先級以及調(diào)度算法

printf ( "child_pid = %d\n", child_pid );

gpio = GPIO5; //主進程和子進程操作不同的GPIO

}

printf("Driver esm6800_gpio test\n");

fd = open("/dev/esm6800_gpio", O_RDWR);

printf("open file = %d\n", fd);

rc = GPIO_OutEnable(fd, 0xff); //set GPIO as output

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutEnable::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

for(;;) //無限循環(huán)

{

//忙循環(huán)中置高然后置低gpio輸出電平

rc = GPIO_OutSet(fd, gpio); //使GPIO輸出高電平

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutSet::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

rc = GPIO_OutClear(fd, gpio); //使GPIO輸出低電平

if(rc < 0)

{

printf("GPIO_OutClear::failed %d\n", rc);

returnrc;

}

}

使用示波器查看到的GPIO狀態(tài)如下圖，其中黃色信號為主進程操作的GPIO5，藍色信號為有實時優(yōu)先級的子進程操作的GPIO6：

可以看出藍色信號代表的擁有實時優(yōu)先級的進程一直處于執(zhí)行當中，沒有被其他低優(yōu)先級的進程搶占，而黃色信號代表的普通優(yōu)先級的程序gpio狀態(tài)切換有很明顯的中斷，也即其他進程被搶占而中斷執(zhí)行。此結(jié)果與第一節(jié)介紹的Linux調(diào)度策略一致：實時線程只會被擁有更高實時優(yōu)先級的線程搶占，處于SCHED_FIFO下的實時線程可以無限執(zhí)行。

用戶在實際編程中應該仔細規(guī)劃自己的程序，合理利用系統(tǒng)調(diào)度接口函數(shù)，來優(yōu)化自己程序的執(zhí)行效果，同時避免錯誤的使用導致系統(tǒng)正常運行。