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PREEMPT_RT 抢占式和优先级调度

Linux 上的实时调度

开源软件社区主要采用两种方法将实时需求引入Linux

改进Linux内核本身，使其符合实时需求，提供有界延迟、实时API等。主线Linux内核和PREEMPT_RT项目采用这一方法。
在Linux内核下方添加一层（例如，OS Real-time extension）来处理所有实时需求，从而使Linux的行为不影响实时任务。Xenomai项目采用这一方法。

一般定义

这两种方法的目标都是在Linux多CPU的实时和非实时软件执行环境下，实现最低线程调度延迟。

IA64 中断定义

中断可以描述为对硬件事件的立即响应。执行这种响应的过程通常称为中断服务例程（ISR）。在处理 ISR 的过程中，可能会产生多种延迟。这些延迟根据其来源分为两个部分：

软件中断延迟（Software Interrupt Latency）：可以根据系统中断禁用时间和系统 ISR 引导部分的大小进行预测。ISR 引导部分会手动保存寄存器并在中断处理程序开始前执行一些操作。
硬件中断延迟（Hardware Interrupt Latency）：反映了执行诸如完成正在进行的指令、确定中断处理程序地址以及存储所有 CPU 寄存器等操作所需的时间。

传统中断 (Legacy Interrupts XT-PIC)：这些旁带信号与 PC/AT 外设的 IRQs 向后兼容（即 PIRQ、INTR、INTx）。
消息信号中断 (Message-Signaled Interrupts, MSI)：通过目标内存地址发送的数据与中断消息一起传输。MSI 消息具有以下特点：
- 实现尽可能低的延迟。CPU 在完成当前指令后立即开始执行 MSI 的中断服务例程（ISR）。
- 表现为已发布的内存写事务。因此，PCI 功能可以请求最多 32 条 MSI 消息。
- 随中断消息发送数据，但不接收任何硬件确认。
- 将特定设备地址写入分配给 CPU 的本地 IO-APIC，并发送事务。
不可屏蔽中断 (Non-Maskable Interrupts, NMI)：通常与系统事件相关（例如电源按钮、看门狗计时器等）。NMI 通常来自电源控制单元 (PCU) 或 IA64 固件源。
系统控制中断 (System Control Interrupt, SCI)：硬件通过 ACPI 5.0、PCAT 或 IASOC（硬件简化 ACPI）通知操作系统时使用的中断。
系统管理中断 (System Management Interrupt, SMI)：由主板上的电源管理硬件生成，具有以下特征：
- SMI 处理可能持续数百微秒，并且是优先级最高的中断（优先级甚至高于 NMI）。
- 每当模式更改时（例如热传感器事件、机箱打开），CPU 就会接收到 SMI，并跳转到特殊的 SMM 地址空间（系统管理 RAM）中的硬连线位置。
- 由于 CPU 中没有中断向量，用户代码无法截获 SMI，这使得 SMI 中断对操作系统不可见。

Linux 多线程定义

用户空间进程 (User-space process)：这是通过调用 POSIX 的 fork() 命令创建的，包含以下内容：
- 一个地址空间（例如，vma），其中包含程序代码、数据、栈、共享库等。
- 一个线程，该线程开始执行 main() 函数。
用户线程 (User-thread)：可以通过 POSIX 的 pthread_create() 命令在现有进程中创建或添加用户线程。
- 用户线程在与初始进程线程相同的地址空间中运行。
- 用户线程开始执行传递给 pthread_create() 作为参数的函数。
内核线程 (Kernel-thread)：可以通过 POSIX 的 kthread_create() 命令在内核模块中创建或添加内核线程。
- 内核线程是从进程 0（swapper）克隆的轻量级进程，虽然它们共享内存映射和限制，但包含文件描述符表的副本。
- 内核线程在与初始进程线程相同的地址空间中运行。

通用 Linux 定时器定义

等时应用程序旨在确保任务在精确定义的时间点完成。然而，Linux 标准定时器通常无法满足所需的循环周期期限的分辨率或精度，甚至两者都不满足。

例如，Linux 中的典型定时器函数（如 gettimeofday() 系统调用）返回微秒级精度的时钟时间，而许多情况下需要的是纳秒级的定时器精度。

为了解决这一限制，创建了提供更高精度计时能力的额外 POSIX API：

定时循环任务调度 (Timer cyclic-task scheduling)：在 PREEMPT_RT 调度上下文中，可以使用 POSIX 的 timer_create() 命令，在给定的时钟域中创建循环任务定时器。该定时器具有以下特点：
- POSIX 定时器到期时无法在高精度定时器中断的硬中断上下文中传递信号。
- 由于锁定限制导致较长的延迟，信号传递必须在线程上下文中进行。

根据DIN 44300标准，实时操作被定义为系统能够在严格的时间要求内响应外部事件的能力。在实时系统中，处理数据和响应的时间是预先确定的，这对于确保系统可以及时地对关键事件做出反应非常关键。

这种类型的系统特别适用于那些对时间反应有严格要求的应用，例如自动控制系统、医疗监测设备和交通控制系统。在这些应用中，延迟或失败及时响应可能导致严重后果。

任务纳秒级休眠的循环调度唤醒：在 COBALT 任务调度上下文中，可以使用 POSIX 的 clock_nanosleep() 命令在给定的时钟域中创建循环任务定时器。该定时器具有以下特征：
- clock_nanosleep() 命令不依赖信号机制，因此不会受到信号机制带来的延迟问题的影响。
- 任务休眠状态下的定时器到期是在高精度定时器中断的上下文中执行的。
- 建议在应用程序不使用异步信号处理程序的情况下，优先使用 clock_nanosleep()，以提高效率。

SCHED_FIFO 调度策略

先进先出（FIFO）策略，固定优先级，抢占式调度策略。如果你需要关于这一点的学习，你可以查阅这篇背景知识。

当使用SCHED_FIFO时，调度器按优先级顺序扫描所有SCHED_FIFO线程的列表，并调度准备运行的最高优先级线程。

PREEMPT_RT 实时抢占与优先级调度

PREEMPT_RT 项目是由 Linux 内核开发者领导的开源框架，遵循 GPLv2 许可证

该项目的目标是逐步提升 Linux 内核对实时性要求的支持，并将这些改进合并到主线内核中。PREEMPT_RT 的开发与主线开发紧密协作，旨在实现更高效的实时性能。

多年来，在 PREEMPT_RT 项目中设计、开发和调试的许多改进现在已经成为主线 Linux 内核的一部分。这个项目是 Linux 内核的一个长期分支，最终目标是在所有改进都合并到主线后使其消失。

设置低延迟中断软件处理

PREEMPT_RT 通过在内核代码和众多驱动/模块代码库中推广 No non-threaded IRQ nesting 开发实践，强制执行基本的软件设计规则，以实现完全抢占和低延迟的调度。

上半部处理(top-half)：当中断被标记时，CPU 会尽快启动上半部处理，它应该尽快完成：
- 中断控制器（如 APIC、MSI 等）接收到来自硬件的事件，触发中断。
- 处理器切换模式，保存寄存器，禁用抢占和中断。
- 调用通用中断向量代码。
- 此时，已保存中断活动的上下文。
- 最后，识别并调用与中断事件相关的 ISR（中断服务例程）。
下半部处理(bottom-half)：由上半部调度的下半部处理，以软中断、tasklet 或工作队列任务的形式启动，且应由 ISR 执行来完成：
- 对于实时关键中断，应该谨慎使用下半部处理。
- ISR 执行是非确定性的，因为其他所有中断的功能都位于上半部。
- 对于非实时中断，线程化下半部处理用于减少不可抢占的持续时间。

Top Half (上半部): 在上半部处理期间，Preempt（抢占）和 IRQ（中断）均为关闭状态，意味着系统不会响应其他中断，也不会进行任务调度。
其他中断处理: 这是一个过渡阶段，处理其他优先级的中断或任务调度，PREEMPT_RT 允许在某些条件下发生抢占，以提高系统的实时响应能力。
Bottom Half (下半部): 下半部负责处理较为耗时的任务，例如处理缓冲区或设备队列。这个阶段的中断和抢占功能是开启的，因此可以允许其他中断和任务的执行。
多线程调度抢占可能发生的情况包括：
- 高优先级任务因中断而被唤醒
- 时间片到期
  - 系统调用导致任务进入睡眠状态
多线程调度抢占不能发生的情况包括内核代码关键区（critical section）时：
- 显式禁用了中断
- 显式禁用了抢占
- 自旋锁 spinlock 的关键区，除非使用了抢占式自旋锁（preemptive spinlocks）

设置 `PREEMPT_RT` 的优先级调度策略

标准的 Linux 内核包含多种调度策略，如 sched 的 manpage 中所描述的。以下三种策略与实时任务相关：

SCHED_FIFO 实现了先进先出的调度算法：
- 当一个 SCHED_FIFO 任务开始运行时，它会一直运行，直到被更高优先级的线程抢占、被 I/O 请求阻塞，或者调用了 yield 函数。
- 所有其他低优先级的任务在 SCHED_FIFO 任务释放 CPU 之前都不会被调度。
- 两个具有相同优先级的 SCHED_FIFO 任务不能互相抢占。
SCHED_RR 与 SCHED_FIFO 调度几乎相同，唯一的区别在于它如何处理具有相同优先级的进程：
- 调度器为每个 SCHED_RR 任务分配一个时间片。当进程耗尽它的时间片时，调度器会将它移到该优先级的进程列表末尾。
- 以此方式，具有相同优先级的 SCHED_RR 任务以轮转方式（Round-Robin）在它们之间调度。
- 如果在某一优先级上只有一个进程，则 SCHED_RR 调度与 SCHED_FIFO 调度是相同的。
SCHED_DEADLINE 使用最早截止时间优先（Earliest Deadline First, EDF）的调度算法，并结合了恒定带宽服务器（Constant Bandwidth Server, CBS）的机制：
- SCHED_DEADLINE 策略使用三个参数来调度任务：Runtime（运行时间）、Deadline（截止时间）和 Period（周期）。
- 一个 SCHED_DEADLINE 任务在每个周期内会获得 运行时间 的纳秒数，该时间应在周期开始后的 截止时间 纳秒内可用。
- 任务根据 EDF 算法基于调度的截止时间进行调度（这些截止时间在任务唤醒时计算）。
- 截止时间最早的任务会被执行。
- SCHED_DEADLINE 线程是系统中优先级最高（用户可控）的线程。
- 如果任何 SCHED_DEADLINE 线程是可运行状态，它将抢占在其他策略下调度的任何线程。

优先级继承假设锁（例如，spin_lock、mutex 等）会继承等待该锁的最高优先级进程线程的优先级。

PREEMPT_RT 为 rtmutex、spin_lock 和 mutex 代码提供了优先级继承功能。一个低优先级的进程可能持有一个高优先级进程所需的锁，从而有效地降低了高优先级进程的优先级。

chrt 调整运行时进程的 Linux 调度策略

在 Linux 上，chrt 命令可用于设置进程的实时属性，例如策略和优先级：

设置调度策略为 FIFO，其中 SCHED_FIFO 的优先级值可以在 1 到 99 之间：

shell 复制代码

chrt --fifo --pid <priority> <pid>

以下命令将为 PID 为 9527 的进程设置调度属性为 SCHED_FIFO，并将优先级设为 99：

shell 复制代码

chrt --fifo --pid 99 9527

设置调度策略为 Round-Robin，其中 SCHED_RR 的优先级值可以在 1 到 99 之间：

shell 复制代码

chrt -rr --pid <priority> <pid>

以下命令将为 PID 为 9527 的进程设置调度属性为 SCHED_RR，并将优先级设为 99：

shell 复制代码

chrt -rr --pid 99 1823

设置调度策略为 Deadline，其中 SCHED_DEADLINE 的优先级值为 0，且运行时间（runtime） <= 截止时间（deadline） <= 周期（period）：

shell 复制代码

chrt --deadline --sched-runtime <nanoseconds> \
                  --sched-period <nanoseconds> \
                  --sched-deadline <nanoseconds> \
                  --pid <priority> <pid>

以下示例将为 PID 为 9527 的进程设置调度属性为 SCHED_DEADLINE。运行时间、截止时间和周期的单位为纳秒：

shell 复制代码

chrt --deadline --sched-runtime 1000000 \
                  --sched-period 5000000 \
                  --sched-deadline 2000000 \
                  --pid 0 9527

查看运行进程调度信息

shell 复制代码

ps f -g 0 -o pid,policy,rtprio,cmd

将此信息汇总成一个表格：

优先级	名称
99	`posixcputmr`, `migration`
50	所有 IRQ 处理程序，除了 `39-s-mmc0` 和 `42-s-mmc1`。例如，`367-enp2s0` 处理一个网络接口
49	IRQ 处理程序 `39-s-mmc0` 和 `42-s-mmc1`
1	`i915/signal`, `ktimersoftd`, `rcu_preempt`, `rcu_sched`, `rcub`, `rcuc`
0	当前运行的其他任务

sched_setscheduler() 和 sched_setattr() 设置 Linux 进程的调度策略

sched_setscheduler 函数可用于更改线程的调度策略。以下值可用于设置实时调度策略

SCHED_FIFO
SCHED_RR

{{< callout type="warning" >}}
注意：非实时调度策略如 SCHED_OTHER、SCHED_BATCH 和 SCHED_IDLE 也是可用的。sched_setscheduler 函数不支持 SCHED_DEADLINE 调度策略。
{{< /callout >}}

sched_setscheduler 函数为实时线程策略设置 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR 调度策略及其优先级。

c 复制代码

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

// 以下代码将配置正在运行的进程，以使用优先级为99的SCHED_RR调度：

struct sched_param param_rr;
memset(&param_rr, 0, sizeof(param_rr));
param_rr.sched_priority = 99;
pid_t pid = getpid();
if (sched_setscheduler(pid, SCHED_RR, &param_rr))
  perror("sched_setscheduler error:");

// 以下代码将配置正在运行的进程，以使用优先级为99的SCHED_FIFO调度：

struct sched_param param_fifo;
memset(&param_fifo, 0, sizeof(param_fifo));
param_fifo.sched_priority = 99;
pid_t pid = getpid();
if (sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO, &param_fifo))
  perror("sched_setscheduler error:");

POSIX API 设置调度器

步骤 1

要使用FIFO调度创建线程，请使用pthread_attr_init函数初始化pthread_attr_t（线程属性对象）对象：

c 复制代码

pthread_attr_t attr_fifo;
pthread_attr_init(&attr_fifo);

步骤 2

初始化后，使用pthread_attr_setschedpolicy将attr_fifo引用的线程属性对象设置为SCHED_FIFO（FIFO调度策略）：

c 复制代码

pthread_attr_setschedpolicy(&attr_fifo, SCHED_FIFO);

步骤 3

使用sched_param对象设置线程的优先级（可以为FIFO调度取1到99之间的值），并使用pthread_attr_setschedparam将参数值复制到线程属性：

c 复制代码

struct sched_param param_fifo;
param_fifo.sched_priority = 92;
pthread_attr_setschedparam(&attr_fifo, &param_fifo);

步骤 4

设置线程属性的继承调度器属性。继承调度器属性决定新线程是从调用线程继承调度属性，还是从 attr 继承。要使用 attr 中定义的调度属性，需通过调用 pthread_attr_setinheritsched 函数并使用 PTHREAD_EXPLICIT_SCHED

c 复制代码

pthread_attr_setinheritsched(&attr_fifo, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);

步骤 5

通过调用 pthread_create 函数创建线程：

c 复制代码

pthread_t thread_fifo;
pthread_create(&thread_fifo, &attr_fifo, thread_function_fifo, NULL);

以下代码有助于在 FIFO 调度策略下实现最简单的可抢占多线程应用：

c 复制代码

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

  void *thread_function_fifo(void *data) {
        printf("Inside Thread\n");
        return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
        struct sched_param param_fifo;
        pthread_attr_t attr_fifo;
        pthread_t thread_fifo;
        int status = -1;
        memset(&param_fifo, 0, sizeof(param_fifo));
        status = pthread_attr_init(&attr_fifo);
        if (status) {
                printf("pthread_attr_init failed\n");
                return status;
        }
        status = pthread_attr_setschedpolicy(&attr_fifo, SCHED_FIFO);
        if (status) {
                printf("pthread_attr_setschedpolicy failed\n");
                return status;
        }
        param_fifo.sched_priority = 92;
        status = pthread_attr_setschedparam(&attr_fifo, &param_fifo);
        if (status) {
                printf("pthread_attr_setschedparam failed\n");
                return status;
        }
        status = pthread_attr_setinheritsched(&attr_fifo, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
        if (status) {
                printf("pthread_attr_setinheritsched failed\n");
                return status;
        }
        status = pthread_create(&thread_fifo, &attr_fifo, thread_function_fifo, NULL);
        if (status) {
                printf("pthread_create failed\n");
                return status;
        }
        pthread_join(thread_fifo, NULL);
        return status;
}

内核线程 Read-Copy Update (RCU)

Read-Copy Update (RCU) API 在 Linux 代码中被广泛用于在线程同步中避免使用锁。这些 API 的特点如下：

非常适合大多数读取操作的数据场景，其中数据陈旧和不一致是可以接受的。
适用于需要一致性的大多数读取操作的数据。
对于需要一致性读写数据的场景，也可以使用。
对于主要是写入操作且需要一致性的数据，可能不是最佳选择。
提供存在性保证，这对可扩展更新非常有用。
调整 RCU 是任何确定性和同步数据分段的一部分：

在 RCU 读取端关键区中使用轻量级原语可以保证 RCU 保护的对象指针存在。

所有 RCU 写操作必须等待 RCU 的宽限期（grace period）结束，才能在将某些对象变为不可被读者访问后进行释放，并在此之后回收资源。

c 复制代码

spinlock(&updater_lock);
q = cptr;
rcu_assign_pointer(cptr, new_p);
spin_unlock(&updater_lock);
synchronize_rcu(); /* Wait for grace period. */
kfree(q);

RCU 宽限期是为了让所有已存在的读取器完成它们的 RCU 读取端关键区操作。宽限期从调用 synchronize_rcu() 开始，直到所有 CPU 执行一次上下文切换后结束。

设置 POSIX 线程虚拟内存分配 (vma)

与标准 Linux 运行时相比，Linux 进程的内存管理在 PREEMPT_RT Linux 运行时中被视为一个重要且关键的方面。从内核调度的角度来看，进程和线程没有区别，它们都以类型为 running 的 task_struct 内核结构表示为任务。然而，从调度延迟的角度来看，进程上下文切换的时间显著长于同一进程内的用户线程上下文切换，因为进程切换需要刷新 TLB。

有不同的内存管理算法旨在优化可运行的进程并提高系统性能。例如，如果内核分配的 mmap() 返回的进程需要完整的内存页或仅需要部分内存页，内存管理将与调度器协同工作，以优化资源的使用。

探讨内存管理的三个主要领域：

内存锁定

内存锁定是程序初始化的一部分，尤其在实时进程中非常关键。大多数实时进程会在其执行期间锁定内存。内存锁定 API mlock 和 mlockall 函数可用于应用程序锁定内存，而 munlock 和 munlockall 则用于解锁应用程序的内存页（虚拟地址空间）到主内存中。
- mlock(void *addr, size_t len)：该函数锁定调用进程地址空间中从指定地址开始的区域（指定长度的字节数）。
  - mlockall(int flags)：该函数锁定所有进程地址空间。可用的标志包括 MCL_CURRENT、MCL_FUTURE 和 MCL_ONFAULT。
  - munlock(void *addr, size_t len)：该函数解锁指定的进程地址空间区域。
  - munlockall(void)：该系统调用将解锁所有进程的地址空间。

内存锁定确保在关键时刻应用程序的内存页不会被从主内存中移除，这也能确保在实时关键操作中不会发生页面错误(page-fault)，这一点非常重要。

栈内存

应用程序中的每个线程都有自己的栈。可以通过 pthread 函数 pthread_attr_setstacksize() 来指定栈的大小。

pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize) 的语法：

attr：线程属性结构体。
- stacksize：以字节为单位，不能小于 PTHREAD_STACK_MIN（16384 字节）。Linux 系统默认的栈大小为 2 MB。

如果栈的大小没有显式设置，则会分配默认的栈大小。如果应用程序使用大量的实时线程，建议使用比默认大小更小的栈，以节省资源并优化性能。

动态内存开辟

在实时（RT）线程执行时，不建议在实时关键路径中进行动态内存分配，因为这会增加发生页面错误的可能性。建议在实时执行开始之前分配所需的内存，并使用 mlock 或 mlockall 函数锁定内存。在以下示例中，线程函数尝试为线程的局部变量动态分配内存，并尝试访问存储在这些随机位置的数据。

在实时系统中，提前分配和锁定内存可以避免在关键操作期间由于内存分页引发的延迟，确保系统的实时性。

c 复制代码

#define BUFFER_SIZE 1048576
void *thread_function_fifo(void *data) {
    double sum = 0.0;
    double* tempArray = (double*)calloc(BUFFER_SIZE, sizeof(double));
    size_t randomIndex;
    int i = 50000;
    while(i--)
    {
             randomIndex =  rand() % BUFFER_SIZE;
             sum += tempArray[randomIndex];
    }
             return NULL;
}

设置高分辨率时钟线程

Linux.org 社区逐步改进了定时器的精度，以提供一种更精确的方式唤醒系统并以更准确的时间间隔处理数据：

最初，Unix/Linux 系统使用 100 Hz 的定时器频率（即每秒 100 个定时器事件/每 10 毫秒一个事件）。
在 Linux 版本 2.4 中，i386 系统开始使用 1000 Hz 的定时器频率（即每秒 1000 个定时器事件/每 1 毫秒一个事件）。1 毫秒的定时器事件改善了最小延迟和交互性，但同时也带来了更高的定时器开销。
在 Linux 内核版本 2.6 中，定时器频率被减少到 250 Hz（即每秒 250 个定时器事件/每 4 毫秒一个事件）以减少定时器开销。
最终，Linux 内核通过添加 CONFIG_HIGH_RES_TIMERS=y 内核内置驱动简化了高精度定时器的纳秒级线程使用

你可以通过下面的命令查看系统内定时器分辨率：

shell 复制代码

cat /proc/timer_list | grep 'cpu:\|resolution\|hres_active\|clock\|event_handler'

POSIX Linux 等时调度

等时应用程序会在固定的时间间隔后重复执行：

该应用程序的执行时间应始终小于其周期。
等时应用程序应始终是实时线程，以便测量性能。

以下步骤概述了开发一个简单的等时实时线程（isoch-rt-thread）的基本过程，用于进行健全性检查：

定义线程属性，确保其为实时线程。
使用 POSIX pthread_create() 创建线程，配置其调度属性。
确保应用的执行时间短于指定的周期时间。

这类应用主要用于需要严格时间控制的场景，如音视频处理或工业自动化。

步骤 1

定义一个结构，该结构将包含时间段信息以及时钟的当前时间。此结构将用于在多个任务之间传递数据：

c 复制代码

/*Data format to be passed between tasks*/
struct time_period_info {
        struct timespec next_period;
        long period_ns;

步骤 2

将循环线程的时间周期定义为1毫秒，并获取系统的当前时间：

c 复制代码

/*Initialize the periodic task with 1ms time period*/
static void initialize_periodic_task(struct time_period_info *tinfo)
{
        /* keep time period for 1ms */
        tinfo->period_ns = 1000000;
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &(tinfo->next_period));
}

步骤 3

使用计时器增量模块进行纳米睡眠，以完成真实线程的时间段：

c 复制代码

/*Increment the timer until the time period elapses and the Real time task will execute*/
static void inc_period(struct time_period_info *tinfo)
{
      tinfo->next_period.tv_nsec += tinfo->period_ns;
      while(tinfo->next_period.tv_nsec >= 1000000000){
        tinfo->next_period.tv_sec++;
        tinfo->next_period.tv_nsec -=1000000000;
      }
}

步骤 4

使用循环等待时间段完成。假设与时间段相比，线程执行时间更短：

c 复制代码

/*Assumption: Real time task requires less time to complete task as compared to period length, so wait till period completes*/
static void wait_for_period_complete(struct period_info *pinfo)
{
        inc_period(pinfo);
        /* Ignore possibilities of signal wakes */
        clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &pinfo->next_period, NULL);
}

步骤 5

定义一个实时线程。为了简单起见，包括一个打印声明：

c 复制代码

static void real_time_task()
{
        printf("Real-Time Task executing\n");
        return NULL;
}

步骤 6

初始化并触发实时线程循环执行。这将等待时间段的完成。此线程将作为POSIX线程从主线程创建。

c 复制代码

void *realtime_isochronous_task(void *data)
{
        struct time_period_info tpinfo;
        periodic_task_init(&tpinfo);
        while (1) {
                real_time_task();
                wait_for_period_complete(&tpinfo);
        }
        return NULL;
}

一个非实时的主线程将在这里生成一个实时的等时应用程序线程。此外，它会设置抢占式调度的优先级和策略。

步骤 7

创建一个POSIX主线程，以创建和初始化具有属性的所有线程：

c 复制代码

int main(int argc, char* argv[]) {
        struct sched_param param_fifo;
        pthread_attr_t attr_fifo;
        pthread_t thread_fifo;
        int status = -1;
        memset(&param_fifo, 0, sizeof(param_fifo));
        status = pthread_attr_init(&attr_fifo);
        if (status) {
                printf("pthread_attr_init failed\n");
                return status;
        }

接下来，使用FIFO调度策略设置实时线程：

c 复制代码

status = pthread_attr_setschedpolicy(&attr_fifo, SCHED_FIFO);
if (status) {
  printf("pthread_attr_setschedpolicy failed\n");
  return status;
}

实时任务优先级设置为92。优先级可以在1到99之间：

c 复制代码

param_fifo.sched_priority = 92;
status = pthread_attr_setschedparam(&attr_fifo, &param_fifo);
if (status) {
        printf("pthread_attr_setschedparam failed\n");
        return status;
}

设置线程属性的inherit-scheduler属性。inherit-scheduler属性决定了新线程是从调用线程还是从attr中取调度属性：

c 复制代码

status = pthread_attr_setinheritsched(&attr_fifo, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
if (status) {
        printf("pthread_attr_setinheritsched failed\n");
        return status;
}

以下代码创建实时等时应用程序线程：

c 复制代码

status = pthread_create(&thread_fifo, &attr_fifo, realtime_isochronous_task, NULL);
if (status) {
        printf("pthread_create failed\n");
        return status;
}

等待实时任务完成：

c 复制代码

        pthread_join(thread_fifo, NULL);
    return status;
}

c 复制代码

/*Header Files*/
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*Data format to be passed between tasks*/
struct time_period_info {
     struct timespec next_period;
     long period_ns;
};

/*Initialize the periodic task with 1ms time period*/
static void initialize_periodic_task(struct time_period_info *tinfo){
     /*Keep time period for 1ms*/
     tinfo->period_ns = 1000000;
     clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &(tinfo->next_period));
}

/*Increment the timer to till time period elapsed*/
static void inc_period(struct time_period_info *tinfo){
     tinfo->next_period.tv_nsec += tinfo->period_ns;
     while(tinfo->next_period.tv_nsec >= 1000000000){
             tinfo->next_period.tv_sec++;
             tinfo->next_period.tv_nsec -=1000000000;
     }
}

/*Real time task requires less time to complete task as compared to period length, so wait till period completes*/
static void wait_for_period_complete(struct time_period_info *tinfo){
     inc_period(tinfo);
     clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, TIMER_ABSTIME, &tinfo->next_period, NULL);
}

/*Real Time Task*/
static void* real_time_task(){
     printf("Real-Time Task executing\n");
     return NULL;
}

/*Main module for an isochronous application task with Real Time priority and scheduling call as SCHED_FIFO */
void *realtime_isochronous_task(void *data){

     struct time_period_info tinfo;
     initialize_periodic_task(&tinfo);

     while(1){
             real_time_task();
             wait_for_period_complete(&tinfo);
     }
     return NULL;
}

/*Non Real Time master thread that will spawn a Real Time isochronous application thread*/
int main(int argc, char* argv[]) {

     struct sched_param param_fifo;
     pthread_attr_t attr_fifo;
     pthread_t thread_fifo;
     int status = -1;
     memset(&param_fifo, 0, sizeof(param_fifo));

     status = pthread_attr_init(&attr_fifo);
     if (status) {
             printf("pthread_attr_init failed\n");
             return status;
     }

     status = pthread_attr_setschedpolicy(&attr_fifo, SCHED_FIFO);
     if (status) {
             printf("pthread_attr_setschedpolicy failed\n");
             return status;
     }

     param_fifo.sched_priority = 92;
     status = pthread_attr_setschedparam(&attr_fifo, &param_fifo);
     if (status) {
             printf("pthread_attr_setschedparam failed\n");
             return status;
     }

     status = pthread_attr_setinheritsched(&attr_fifo, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
     if (status) {
             printf("pthread_attr_setinheritsched failed\n");
             return status;
     }

     status = pthread_create(&thread_fifo, &attr_fifo, realtime_isochronous_task, NULL);
     if (status) {
             printf("pthread_create failed\n");
             return status;
     }

     pthread_join(thread_fifo, NULL);
     return status;
}

最近修改: 2025-07-24

PREEMPT_RT 抢占式和优先级调度

Linux 上的实时调度

一般定义

IA64 中断定义

Linux 多线程定义

通用 Linux 定时器定义

SCHED_FIFO 调度策略

PREEMPT_RT 实时抢占与优先级调度

设置低延迟中断软件处理

设置 PREEMPT_RT 的优先级调度策略

chrt 调整运行时进程的 Linux 调度策略

sched_setscheduler() 和 sched_setattr() 设置 Linux 进程的调度策略

POSIX API 设置调度器

步骤 1

步骤 2

步骤 3

步骤 4

步骤 5

内核线程 Read-Copy Update (RCU)

设置 POSIX 线程虚拟内存分配 (vma)

设置高分辨率时钟线程

POSIX Linux 等时调度

步骤 1

步骤 2

步骤 3

步骤 4

步骤 5

步骤 6

步骤 7

设置 `PREEMPT_RT` 的优先级调度策略