一、前言?
Linux調(diào)度器神秘而充滿誘惑，每個(gè)Linux工程師都想深入其內(nèi)部一探究竟。不過中國有一句古話叫做“相由心生”，一個(gè)模塊精巧的內(nèi)部邏輯（也就是所謂的“心”）其外延就是簡潔而優(yōu)雅的接口（我稱之為“相”）。通過外部接口的定義，其實(shí)我們也可以收獲百分之六七十的該模塊的內(nèi)部信息。因此，本文主要描述Linux調(diào)度器開放給用戶空間的接口，希望可以通過用戶空間的調(diào)度器接口來理解Linux調(diào)度器的行為。

二、nice函數(shù)

nice函數(shù)用來修改調(diào)用進(jìn)程的nice value，其接口定義如下：

#include?
?????? int nice(int inc);

為了方便說明該接口的作用，我們還是舉實(shí)際的例子說明。程序調(diào)用nice(3)，則將當(dāng)前進(jìn)程的nice value增加3，這也就是意味著該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)降低3個(gè)level（提升nice value也就是對(duì)別人更加nice，自己的優(yōu)先級(jí)就會(huì)低）。如果程序調(diào)用nice(-5)，則將當(dāng)前進(jìn)程的nice value減去5，這也就是意味著該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)提升5個(gè)level。當(dāng)調(diào)用錯(cuò)誤的時(shí)候返回-1，調(diào)用成功會(huì)稍微有一些歧義。POSIX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了nice函數(shù)返回新的nice value，但是linux的系統(tǒng)調(diào)用和c庫都是采用了操作成功返回0的方式。這樣的處理方式使得在調(diào)用nice函數(shù)的時(shí)候無法得到當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)，如果想要得到當(dāng)前優(yōu)先級(jí)，需要調(diào)用getpriority函數(shù)，我們在下一小節(jié)描述。

雖然說nice函數(shù)是用來調(diào)整優(yōu)先級(jí)，實(shí)際上調(diào)整nice value就是調(diào)整調(diào)度器分配給該進(jìn)程的CPU時(shí)間，具體是如何影響cpu time的呢？我們在后面描述內(nèi)核代碼的時(shí)候再詳聊。此外，需要注意的是：根據(jù)POSIX標(biāo)準(zhǔn)，nice value是一個(gè)per process的設(shè)定，但是在linux中，nice value沒有遵從這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它是per-thread的一個(gè)屬性。

三、getpriority/setpriority函數(shù)

從上節(jié)的描述中，我們了解到了nice的函數(shù)的限制，例如只能修改自己的nice value，無法獲取當(dāng)前的nice value值等，為此我們給出加強(qiáng)版本的nice接口，也就是getpriority/setpriority函數(shù)了。getpriority/setpriority函數(shù)定義如下：

#include?
#include?

int getpriority(int which, int who);?
int setpriority(int which, int who, int prio);

你說接口增加功能是好事，怎么就把名字也改了呢？為何不是getnice/setnice呢？其實(shí)從上節(jié)的描述也看出稍許端倪，我們并沒有區(qū)分調(diào)度優(yōu)先級(jí)和nice value這兩個(gè)值，歷史上，首先被使用的是nice value，很快大家覺得這個(gè)詞不是那么好理解，特別是對(duì)于初學(xué)者，因此改成優(yōu)先級(jí)（priority）這樣的名詞可以讓用戶更好的理解這個(gè)API的作用，當(dāng)然，事實(shí)證明這個(gè)改動(dòng)并不是非常理想，我們后面會(huì)描述。

getpriority/setpriority功能比較強(qiáng)大，能處理多種請(qǐng)求，不同的請(qǐng)求通過which和who這兩個(gè)參數(shù)來制定。當(dāng)which等于PRIO_PROCESS的時(shí)候，who需要傳入一個(gè)process id的參數(shù)，getpriority將返回指定進(jìn)程的nice value。當(dāng)which等于PRIO_PGRP的時(shí)候，who需要傳入一個(gè)process group id的參數(shù)，此時(shí)getpriority將返回指定進(jìn)程組中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)（BTW，nice value是最小的）。當(dāng)which等于PRIO_USER的時(shí)候，who需要user id的信息，這時(shí)候，getpriority將返回屬于該user的所有進(jìn)程中nice value最小的那個(gè)。who等于0說明要get或者set的對(duì)象是當(dāng)前進(jìn)程（或者當(dāng)前進(jìn)程組，或者當(dāng)前的user）。

setpriority類似與nice，當(dāng)然功能要強(qiáng)那么一點(diǎn)點(diǎn)，因?yàn)樗梢越邮誔RIO_PROCESS，PRIO_PGRP或者PRIO_USER參數(shù)用來設(shè)定一組進(jìn)程的nice value。setpriority的返回值和其他函數(shù)類似，0表示成功，-1表示操作失敗，不過getpriority就稍微有一點(diǎn)繞了。作為linux程序員，我們都知道的nice value是[-20, 19]，如果getpriority返回這個(gè)范圍，那么這里的-1優(yōu)先級(jí)就有點(diǎn)尷尬了，因?yàn)橐话愕膌inux c庫接口函數(shù)返回-1表示調(diào)用錯(cuò)誤，我們是如何區(qū)分-1調(diào)用錯(cuò)誤的返回還是優(yōu)先級(jí)-1的返回值呢？getpriority是少數(shù)返回-1也是有可能正確的接口函數(shù)：在調(diào)用getpriority之前，我們需要首先將errno清零，調(diào)用getpriority之后，如果返回-1，我們需要看看errno是否還是保持0值，如果是，那么說明返回的是優(yōu)先級(jí)-1，否則說明發(fā)生了錯(cuò)誤。

四、操作rt priority的接口

傳統(tǒng)的類unix內(nèi)核，調(diào)度器是采用round-robin time-sharing的算法：如果有若干個(gè)進(jìn)程是runnable的，那么不著急，大家排排隊(duì)、吃果果，每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)cpu時(shí)間片，大家輪流按照分配的時(shí)間片來獲取cpu資源，所有的時(shí)間片用完，那么就重新一輪的分配。在這樣的模型下面，間接影響cpu時(shí)間片的nice接口函數(shù)就夠用了。當(dāng)然，分配了更多的時(shí)間片也就是意味著有更高的優(yōu)先級(jí)，因此nice vlaue也被稱為進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

但是，新的需求層出不窮（人類的欲望是無窮D），特別是實(shí)時(shí)性方面的需求，因此，POSIX標(biāo)準(zhǔn)（2008版本）增加了實(shí)時(shí)調(diào)度的內(nèi)容，并且提供了POSIX realtime scheduling API來讓用戶空間來修改調(diào)度策略和調(diào)度優(yōu)先級(jí)。這下子有點(diǎn)尷尬了，原來的nice value大家已經(jīng)習(xí)慣稱之為進(jìn)程優(yōu)先級(jí)了，現(xiàn)在真正的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)登場了，怎么區(qū)分？為了解決這個(gè)問題，我們引入一個(gè)新的名詞叫做調(diào)度策略（scheduling policy）。調(diào)度器在運(yùn)作的時(shí)候往往設(shè)定一組規(guī)則來決定何時(shí)，選擇哪一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)，執(zhí)行多長的時(shí)間。那些“規(guī)則”就是調(diào)度策略。

好的調(diào)度策略依賴于對(duì)進(jìn)程的分類，有一類進(jìn)程是大家都灰常的熟悉了就是普通進(jìn)程，使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的那些進(jìn)程。當(dāng)然這類進(jìn)程還可以細(xì)分，例如運(yùn)算密集型進(jìn)程（SCHED_BATCH，調(diào)度器最好不要太經(jīng)常的喚醒這種進(jìn)程），例如idle類進(jìn)程（SCHED_IDLE），idle類進(jìn)程優(yōu)先級(jí)非常低，也就是說如果系統(tǒng)有其他事情要處理就去干別的事情（調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行），實(shí)在沒有活干了，再考慮IDLE類型的進(jìn)程。不論哪一種普通進(jìn)程，其優(yōu)先級(jí)使用nice value這樣一個(gè)調(diào)度參數(shù)來描述就OK了。

除了普通進(jìn)程，還有一類是嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)來調(diào)度的進(jìn)程，如果熟悉RTOS的話，對(duì)priority-base的調(diào)度器應(yīng)該不會(huì)陌生，官大一級(jí)壓死人，只要優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程是runnable的，那么優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程是根本沒有機(jī)會(huì)執(zhí)行的。這里的優(yōu)先級(jí)才是真正意義的優(yōu)先級(jí)，但是nice value已經(jīng)被稱為進(jìn)程優(yōu)先級(jí)了，因此這里的優(yōu)先級(jí)被叫做rt priority。rt進(jìn)程的調(diào)度又被細(xì)分成兩類：SCHED_FIFO和SCHED_RR。這兩種調(diào)度策略在相同rt priority的時(shí)候稍有差別，SCHED_FIFO是誰先到誰先獲取cpu資源，并且一直占用，直到主動(dòng)讓出cpu或者退出，相同rt priority的進(jìn)程才有機(jī)會(huì)執(zhí)行。SCHED_RR稍微人性化了一點(diǎn)，相同rt priority的進(jìn)程有時(shí)間片，大家輪流執(zhí)行。對(duì)于實(shí)時(shí)進(jìn)程而言，rt priority這個(gè)調(diào)度參數(shù)就描述了全部。

介紹到這里，是時(shí)候總結(jié)一下了：進(jìn)程優(yōu)先級(jí)有兩個(gè)范圍，一個(gè)是nice value，用前兩個(gè)小節(jié)的API來set或者get。另外一個(gè)優(yōu)先級(jí)是rt priority，完全碾壓nice value這種優(yōu)先級(jí)，操作rt priority的接口就在這一小節(jié)描述。

OK，經(jīng)過漫長的鋪墊過程，我們終于可以介紹realtime process scheduling API了，具體API定義如下：

#include

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

int sched_getscheduler(pid_t pid);

int sched_get_priority_max(int policy);－－返回指定policy的最大的rt priority?
int sched_get_priority_min(int policy);－－返回指定policy的最小的rt priority

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

sched_get_priority_max和sched_get_priority_min分別返回了指定調(diào)度策略的最大和最小的rt priority，不同的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的優(yōu)先級(jí)數(shù)量。在linux中，實(shí)時(shí)進(jìn)程（SCHED_FIFO和SCHED_RR）的rt priority共計(jì)99個(gè)level，最小是1，最大是99。對(duì)于其他的調(diào)度策略，這些函數(shù)返回0。

sched_getscheduler函數(shù)可以獲取指定進(jìn)程的scheduling policy（如果pid等于0，那么是獲取調(diào)用進(jìn)程的調(diào)度策略）。sched_setscheduler函數(shù)是用來設(shè)定指定進(jìn)程的scheduling policy，對(duì)于實(shí)時(shí)進(jìn)程，該接口函數(shù)還可以設(shè)定rt priority。如果設(shè)定進(jìn)程的調(diào)度策略是非實(shí)時(shí)的調(diào)度策略的時(shí)候（例如SCHED_NORMAL），那么param參數(shù)是沒有意義的，其sched_priority成員必須設(shè)定為0。sched_setparam/sched_getparam非常簡單，大家自己看man page好了。

五、一統(tǒng)江湖的接口

看起來前面小節(jié)描述的API已經(jīng)夠用了，然而，故事并未結(jié)束。經(jīng)過前面關(guān)于調(diào)度接口的討論，基本上我們對(duì)調(diào)度器的行為也已經(jīng)有了了解：調(diào)度器就是按照優(yōu)先級(jí)（指rt priority）來工作，優(yōu)先級(jí)高的永遠(yuǎn)是優(yōu)先調(diào)度。范圍落在[1,99]的rt priority是實(shí)時(shí)進(jìn)程，而rt priority等于0的是普通進(jìn)程。對(duì)于普通進(jìn)程，調(diào)度器還要根據(jù)nice value（這個(gè)也曾經(jīng)被稱為優(yōu)先級(jí)，不要和rt priority弄混了）來進(jìn)行調(diào)整。用戶空間的進(jìn)程可以通過各種前面描述的接口API來修改調(diào)度策略、nice value以及rt priority。一切看上去已經(jīng)完美，CFS類型的調(diào)度器處理普通的運(yùn)算密集形（例如編譯內(nèi)核）和用戶交互形的應(yīng)用（例如vi編輯文件）。如果有應(yīng)用有實(shí)時(shí)需求，可以考慮讓rt類型的調(diào)度器來運(yùn)籌帷幄。但是，如何混合了一些realtime的應(yīng)用以及有一些timing要求的應(yīng)用的時(shí)候，SCHED_FIFO和SCHED_RR并不能解決問題，因?yàn)樵谶@種調(diào)度策略下，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)永遠(yuǎn)的delay低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，如果低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)有一些timing的需求，這時(shí)候，你根本控制不了調(diào)度延遲時(shí)間。

為了解決上一節(jié)中描述的問題，一類新的進(jìn)程被定義出來，這類進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都要高，這類進(jìn)行有自己的特點(diǎn)，參考下圖：

這類進(jìn)程的特點(diǎn)就是每隔固定的周期都會(huì)起來干活，需要一定的時(shí)間來處理事務(wù)。這類進(jìn)程很牛，一上來就告訴調(diào)度器，我可是有點(diǎn)脾氣的進(jìn)程，和其他的那些妖艷的進(jìn)程不一樣的，我每隔一段時(shí)間（period）你就得固定分配給我一定的cpu資源（computer time），當(dāng)然，分配的cpu time必須在該周期內(nèi)執(zhí)行完畢，因此就有deadline的概念。為了應(yīng)對(duì)這種需求，3.14內(nèi)核引入了一類新的進(jìn)程叫做deadline進(jìn)程，這類進(jìn)程的調(diào)度策略是SCHED_DEADLINE。調(diào)度器對(duì)這類進(jìn)程也會(huì)高看一眼，每當(dāng)一個(gè)周期的開始時(shí)間到來的時(shí)候（也就是該deadline進(jìn)程被喚醒的時(shí)間），調(diào)度器要優(yōu)先處理這個(gè)deadline進(jìn)程對(duì)cpu timer的需求，并且在某個(gè)指定的deadline時(shí)間內(nèi)調(diào)度該進(jìn)程執(zhí)行。執(zhí)行了指定的cpu time后，可以考慮調(diào)度走該進(jìn)行，不過，當(dāng)下一個(gè)周期到來的時(shí)候，調(diào)度器仍然要奮不顧身的在deadline時(shí)間內(nèi)，再次調(diào)度該deadline進(jìn)程執(zhí)行。

雖然deadline進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高于其他兩類進(jìn)程，但是用“優(yōu)先級(jí)”來描述這類進(jìn)程當(dāng)然是不合理的，應(yīng)該使用下面的三個(gè)參數(shù)來描述：

（1）周期時(shí)間（上圖中的period）

（2）deadline時(shí)間（上圖中的relative deadline）

（3）一次調(diào)度周期內(nèi)分配多少的cpu時(shí)間（上圖中的comp. time）

至此，估計(jì)您也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，前面描述的接口其實(shí)都是不適合設(shè)定這些參數(shù)的，因此，GNU/linux操作系統(tǒng)中增加了下面的接口API：

#include

int sched_setattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int flags);?
int sched_getattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int size, unsigned int flags);

attr這個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型是struct sched_attr，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)囊括了一切你想要的關(guān)于調(diào)度的控制參數(shù)：policy，nice value，rt priority，period，deadline等等。用這個(gè)接口可以完成所有前面幾個(gè)小節(jié)描述API能完成的任務(wù)，唯一的不好的地方就是這個(gè)接口是linux特有的，不是posix標(biāo)準(zhǔn)，是否應(yīng)用這個(gè)接口就是見仁見智了。更細(xì)節(jié)的知識(shí)這里就不描述了，大家還是參考man page好了。

六、其他

上面描述的接口API都是和調(diào)度器參數(shù)相關(guān)，其實(shí)Linux調(diào)度器還有兩類接口。一個(gè)是sched_getaffinity和sched_setaffinity，用于操作一個(gè)線程的CPU affinity。另外一個(gè)接口是sched_yield，該接口可以讓出CPU資源，讓Linux調(diào)度器選擇一個(gè)合適的線程執(zhí)行。這些接口很簡單，大家仔細(xì)學(xué)習(xí)就OK了。

參考文檔：

1、POSIX標(biāo)準(zhǔn)2008

2、linux下的各種man page

3、linux 4.4.6內(nèi)核源代碼