Linux 线程调度与优先级设置

转载：http://blog.csdn.net/a_ran/article/details/43759729

　　

线程调度间的上下文切换

什么是上下文切换？

如果主线程是唯一的线程，那么他基本上不会被调度出去。另一方面，如果可运行的线程数大于CPU的数量，那么操作系统最终会将某个正在运行的线程调度出去，从而

使其他线程能够使用CPU。这将导致一次上下文切换。在这个过程中将保存当前运行线程的执行上下文，并将新调度进来的线程的执行上下文设置为当前上下文。

切换上下文需要一定的开销，而在线程调度过程中需要访问操作系统和JVM共享的数据结构。应用程序、操作系统以及JVM都使用一组相同的CPU。在JVM和操作系统的代码中消耗越多的CPU时钟周期，应用程序的可用CPU时钟周期就越少。但上下文切换的开销并不只是包含JVM和操作系统的开下。当一个新的线程被切换进来时，它所需要额数据可能不在当前处理器的本地缓存中，因此上下文切换将导致一些缓存缺失，因而线程在首次调度运行时会更加缓慢。这就是为什么调度器会每个可运行的线程分配一个最小执行时间，即使有许多其他的线程正在等待执行：它将上下文切换的开销分摊到更多不会中断的执行时间上，从而提供整体的吞吐量（以损失响应性为代价）。

当线程由于等待某个发生竞争的锁而被阻塞时，JVM通常会将这个线程挂起，并允许它被交换出去。如果线程频繁的发生阻塞，那么他们将无法使用完整的调度时间片。在程序中发生越多的阻塞（包括阻塞IO，等待获取发生竞争的锁，或者在条件变量上等待），与CPU密集型的程序就会发生越多的上下文切换，从而增加调度开销，并因此降低吞吐量。（无阻塞算法同样有助于减小上下文切换）

上下文切换的实际开销会随着平台的不同而变化，然而根据经验来看：在大多数通用的处理器中，上下文切换的开销相当于5000-10000个时钟周期，也就是几微秒。

UNIX系统的vmstat命令和Windows系统的perfmon工具都能报告上下文切换的次数以及在内核中执行时间所占比例等信息。如果内核占用率较高（超过10%），那么通常表示调度活动发生的很频繁，这很可能是由于IO或竞争锁导致的阻塞引起的。

　　Linux内核的三种调度策略：

　　1，SCHED_OTHER 分时调度策略，
　　2，SCHED_FIFO实时调度策略，先到先服务。一旦占用cpu则一直运行。一直运行直到有更高优先级任务到达或自己放弃

　　3，SCHED_RR实时调度策略，时间片轮转。当进程的时间片用完，系统将重新分配时间片，并置于就绪队列尾。放在队列尾保证了所有具有相同优先级的RR任务的调度公平

 

Linux线程优先级设置
   首先，可以通过以下两个函数来获得线程可以设置的最高和最低优先级，函数中的策略即上述三种策略的宏定义：

　　int sched_get_priority_max(int policy);

　　int sched_get_priority_min(int policy);

　 SCHED_OTHER是不支持优先级使用的，而SCHED_FIFO和SCHED_RR支持优先级的使用，他们分别为1和99，数值越大优先级越高。
设置和获取优先级通过以下两个函数

int pthread_attr_setschedparam(pthread_attr_t *attr, const struct sched_param *param);
　　int pthread_attr_getschedparam(const pthread_attr_t *attr, struct sched_param *param);
 param.sched_priority = 51; //设置优先级


   系统创建线程时，默认的线程是SCHED_OTHER。所以如果我们要改变线程的调度策略的话，可以通过下面的这个函数实现。


int pthread_attr_setschedpolicy(pthread_attr_t *attr, int policy);

上面的param使用了下面的这个数据结构：

struct sched_param
{
    int __sched_priority; //所要设定的线程优先级
};

我们可以通过下面的测试程序来说明，我们自己使用的系统的支持的优先级：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <assert.h>

static int get_thread_policy(pthread_attr_t *attr)
{
  int policy;
  int rs = pthread_attr_getschedpolicy(attr,&policy);
  assert(rs==0);
  switch(policy)
  {
  case SCHED_FIFO:
    printf("policy= SCHED_FIFO\n");
    break;
  case SCHED_RR:
    printf("policy= SCHED_RR");
    break;
  case SCHED_OTHER:
    printf("policy=SCHED_OTHER\n");
    break;
  default:
    printf("policy=UNKNOWN\n");
    break;
  }
  return policy;
}

static void show_thread_priority(pthread_attr_t *attr,int policy)
{
  int priority = sched_get_priority_max(policy);
  assert(priority!=-1);
  printf("max_priority=%d\n",priority);
  priority= sched_get_priority_min(policy);
  assert(priority!=-1);
  printf("min_priority=%d\n",priority);
}

static int get_thread_priority(pthread_attr_t *attr)
{
  struct sched_param param;
  int rs = pthread_attr_getschedparam(attr,&param);
  assert(rs==0);
  printf("priority=%d",param.__sched_priority);
  return param.__sched_priority;
}

static void set_thread_policy(pthread_attr_t *attr,int policy)
{
  int rs = pthread_attr_setschedpolicy(attr,policy);
  assert(rs==0);
  get_thread_policy(attr);
}

int main(void)
{
  pthread_attr_t attr;
  struct sched_param sched;
  int rs;
  rs = pthread_attr_init(&attr);
  assert(rs==0);

  int policy = get_thread_policy(&attr);
  printf("Show current configuration of priority\n");
    show_thread_priority(&attr,policy);
  printf("show SCHED_FIFO of priority\n");
 show_thread_priority(&attr,SCHED_FIFO);
  printf("show SCHED_RR of priority\n");
  show_thread_priority(&attr,SCHED_RR);
  printf("show priority of current thread\n");
  int priority = get_thread_priority(&attr);

  printf("Set thread policy\n");
  printf("set SCHED_FIFO policy\n");
  set_thread_policy(&attr,SCHED_FIFO);
  printf("set SCHED_RR policy\n");
  set_thread_policy(&attr,SCHED_RR);
  printf("Restore current policy\n");
  set_thread_policy(&attr,policy);

  rs = pthread_attr_destroy(&attr);
  assert(rs==0);
  return 0;
}


下面是测试程序的运行结果：

policy=SCHED_OTHER
Show current configuration of priority
max_priority=0
min_priority=0
show SCHED_FIFO of priority
max_priority=99
min_priority=1
show SCHED_RR of priority
max_priority=99
min_priority=1
show priority of current thread
priority=0Set thread policy
set SCHED_FIFO policy
policy= SCHED_FIFO
set SCHED_RR policy
policy= SCHED_RRRestore current policy
policy=SCHED_OTHER

这里测试一下其中的两种特性，SCHED_OTHER和SCHED_RR，还有就是优先级的问题，是不是能够保证，高优先级的线程，就可以保证先运行。
    下面的这个测试程序，创建了三个线程，默认创建的线程的调度策略是SCHED_OTHER，其余的两个线程的调度策略设置成SCHED_RR。我的Linux的内核版本是2.6.31。SCHED_RR是根据时间片来确定线程的调度。时间片用完了，不管这个线程的优先级有多高都不会在运行，而是进入就绪队列中，等待下一个时间片的到了，那这个时间片到底要持续多长时间？在《深入理解Linux内核》中的第七章进程调度中，是这样描诉的，Linux采取单凭经验的方法，即选择尽可能长、同时能保持良好相应时间的一个时间片。这里也没有给出一个具体的时间来，可能会根据不同的CPU 来定，还有就是多CPU 的情况。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void Thread1()
{
  sleep(1);
  int i,j;
  int policy;
  struct sched_param param;
  pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
  if(policy == SCHED_OTHER)
    printf("SCHED_OTHER\n");
  if(policy == SCHED_RR);
  printf("SCHED_RR 1 \n");
  if(policy==SCHED_FIFO)
    printf("SCHED_FIFO\n");

  for(i=1;i<10;i++)
  {
    for(j=1;j<5000000;j++)
    {
    }
    printf("thread 1\n");
  }
  printf("Pthread 1 exit\n");
}

void Thread2()
{
  sleep(1);
  int i,j,m;
  int policy;
  struct sched_param param;
pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
 if(policy == SCHED_OTHER)
    printf("SCHED_OTHER\n");
  if(policy == SCHED_RR);
  printf("SCHED_RR\n");
  if(policy==SCHED_FIFO)
    printf("SCHED_FIFO\n");

  for(i=1;i<10;i++)
  {
    for(j=1;j<5000000;j++)
    {
      
    }
    printf("thread 2\n");
  }
  printf("Pthread 2 exit\n");
}

void Thread3()
{
  sleep(1);
  int i,j;
  int policy;
  struct sched_param param;
pthread_getschedparam(pthread_self(),&policy,&param);
 if(policy == SCHED_OTHER)
    printf("SCHED_OTHER\n");
  if(policy == SCHED_RR)
    printf("SCHED_RR \n");
  if(policy==SCHED_FIFO)
    printf("SCHED_FIFO\n");

  for(i=1;i<10;i++)
  {
    for(j=1;j<5000000;j++)
    {
    }
    printf("thread 3\n");
  }
  printf("Pthread 3 exit\n");
}

int main()
{
  int i;
  i = getuid();
  if(i==0)
    printf("The current user is root\n");
  else
    printf("The current user is not root\n");

  pthread_t ppid1,ppid2,ppid3;
  struct sched_param param;

  pthread_attr_t attr,attr1,attr2;
  
  pthread_attr_init(&attr1);
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_init(&attr2);
  param.sched_priority = 51;
 pthread_attr_setschedpolicy(&attr2,SCHED_RR);
 pthread_attr_setschedparam(&attr2,&param);
 pthread_attr_setinheritsched(&attr2,PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);//要使优先级其作用必须要有这句话

 param.sched_priority = 21;
 pthread_attr_setschedpolicy(&attr1,SCHED_RR);
 pthread_attr_setschedparam(&attr1,&param);
 pthread_attr_setinheritsched(&attr1,PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
 
 pthread_create(&ppid3,&attr,(void *)Thread3,NULL);
 pthread_create(&ppid2,&attr1,(void *)Thread2,NULL);
 pthread_create(&ppid1,&attr2,(void *)Thread1,NULL);
 
 pthread_join(ppid3,NULL);
 pthread_join(ppid2,NULL);
 pthread_join(ppid1,NULL);
 pthread_attr_destroy(&attr2);
 pthread_attr_destroy(&attr1);
 return 0;
}



下面是该程序的其中之一的运行结果：

sudo ./prio_test
The current user is root
SCHED_OTHER
SCHED_RR
SCHED_RR 1 
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
Pthread 1 exit
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
Pthread 2 exit
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
Pthread 3 exit

这里我们可以看到，由于线程3的调度策略是SCHED_OTHER，而线程2的调度策略是SCHED_RR，所以，在Thread3中，线程3被线程1，线程2给抢占了。由于线程1的优先级大于线程2的优先级，所以，在线程1以先于线程2运行，不过，这里线程2有一部分代码还是先于线程1运行了。
    我原以为，只要线程的优先级高，就会一定先运行，其实，这样的理解是片面的，特别是在SMP的PC机上更会增加其不确定性。
    其实，普通进程的调度，是CPU根据进程优先级算出时间片，这样并不能一定保证高优先级的进程一定先运行，只不过和优先级低的进程相比，通常优先级较高的进程获得的CPU时间片会更长而已。其实，如果要想保证一个线程运行完在运行另一个线程的话，就要使用多线程的同步技术，信号量，条件变量等方法。而不是绝对依靠优先级的高低，来保证。
    不过，从运行的结果上，我们可以看到，调度策略为SCHED_RR的线程1，线程2确实抢占了调度策略为SCHED_OTHER的线程3。这个是可以理解的，由于SCHER_RR是实时调度策略。
   只有在下述事件之一发生时，实时进程才会被另外一个进程取代。
  （1） 进程被另外一个具有更高实时优先级的实时进程抢占。
  （2） 进程执行了阻塞操作并进入睡眠
  （3）进程停止（处于TASK_STOPPED 或TASK_TRACED状态）或被杀死。
  （4）进程通过调用系统调用sched_yield()，自愿放弃CPU 。
  （5）进程基于时间片轮转的实时进程（SCHED_RR），而且用完了它的时间片。
   基于时间片轮转的实时进程是，不是真正的改变进程的优先级，而是改变进程的基本时间片的长度。所以基于时间片轮转的进程调度，并不能保证高优先级的进程先运行。
   下面是另一种运行结果：

sudo ./prio_test
The current user is root
SCHED_OTHER
SCHED_RR 1 
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
thread 1
Pthread 1 exit
SCHED_RR
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
thread 2
Pthread 2 exit
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
thread 3
Pthread 3 exit


可以看出并没有每一次都保证高优先级的线程先运行。