Разработка ядра Linux

Лав Роберт

Стратегия

SCHED_RR

аналогична стратегии

SCHED_FIFO

, за исключением того, что процесс может выполняться только до тех пор, пока не израсходует предопределенный ему квант времени. Таким образом, стратегия

SCHED_RR

— это стратегия

SCHED_FIFO

с квантами времени, т.е. круговой алгоритм планирования (round-robin) реального времени. Когда истекает квант времени процесса со стратегией планирования SCHED_RR, то другие процессы с таким же приоритетом планируются по круговому алгоритму. Квант времени используется только для того, чтобы перепланировать выполнение заданий с таким же приоритетом. Так же как в случае стратегии

SCHED_FIFO

, процесс с более высоким приоритетом сразу же вытесняет процессы с более низким приоритетом, а процесс с более низким приоритетом никогда не сможет вытеснить

процесс со стратегией планирования

SCHED_RR

, даже если у последнего истек квант времени.

Обе стратегии планирования реального времени используют статические приоритеты. Ядро не занимается расчетом значений динамических приоритетов для задач реального времени. Это означает, что процесс, работающий в режиме реального времени, всегда сможет вытеснить процесс с более низким значением приоритета.

Стратегии планирования реального времени в операционной системе Linux обеспечивают так называемый мягкий режим реального времени (soft real-time). Мягкий режим реального времени обозначает, что ядро пытается планировать выполнение пользовательских программ в границах допустимых временных сроков, но не всегда гарантирует выполнение этой задачи. В противоположность этому операционные системы с жестким режимом реального времени (hard real-time) всегда гарантируют выполнение всех требований по планированию выполнения процессов в заданных пределах. Операционная система Linux не может гарантировать возможности планирования задач реального времени. Тем не менее стратегия планирования ОС Linux гарантирует, что задачи реального времени будут выполняться всякий раз, когда они готовы к выполнению. Хотя в ОС Linux и отсутствуют средства, гарантирующие работу в жестком режиме реального времени, тем не менее производительность планировщика ОС Linux в режиме реального времени достаточно хорошая. Ядро серии 2.6 в состоянии удовлетворить очень жестким временным требованиям.

Приоритеты реального времени лежат в диапазоне от 1 до

MAX_RT_PRIO

минус 1, По умолчанию значение константы

MAX_RT_PRIO

равно 100, поэтому диапазон значений приоритетов реального времени по умолчанию составляет от 1 до 99. Это пространство приоритетов объединяется с пространством значений параметра nice для стратегии планирования

SCHED_OTHER

, которое соответствует диапазону приоритетов от значения

MAX_RT_PRIO

до значения (

MAX_RT_PRIO

+40). По умолчанию это означает, что диапазон значений параметра nice от -20 до +19 взаимно однозначно отображается в диапазон значений приоритетов от 100 до 139.

Системные вызовы для управления планировщиком

Операционная система Linux предоставляет семейство системных вызовов для управления параметрами планировщика. Эти системные вызовы позволяют манипулировать приоритетом процесса, стратегией планирования и процессорной привязкой, а также предоставляют механизм, с помощью которого можно явно передать процессор (yield) в использование другим заданиям.

Существуют различные книги, а также дружественные страницы системного руководства (man pages), которые предоставляют информацию об этих системных вызовах (реализованных в библиотеке С без особых интерфейсных оболочек, а прямым вызовом системной функции). В табл. 4.3 приведен список этих функций с кратким описанием. О том, как системные вызовы реализованы в ядре, рассказывается в главе 5, "Системные вызовы".

Таблица 4.3. Системные вызовы для управления планировщиком

Системный вызов	Описание
nice	Установить значение параметра nice
sched_setscheduler	Установить стратегию планирования
sched_getscheduler	Получить стратегию планирования
sched_setparam	Установить значение приоритета реального времени
sched_getparam	Получить значение приоритета реального времени
sched_get_priority_max	Получить максимальное значение приоритета реального времени
sched_get_priority_min	Получить минимальное значение приоритета реального времени
sched_rr_get_interval	Получить продолжительность кванта времени
sched_setaffinity	Установить процессорную привязку
sched_getaffinity	Получить процессорную привязку
sched_yield	Временно передать процессор другим заданиям

Системные вызовы, связанные с управлением стратегией и приоритетом

Системные вызовы

sched_setscheduler

и

sched_getcheduler

позволяют соответственно установить и получить значение стратегии планирования и приоритета реального времени для указанного процесса. Реализация этих функций, так же как и для большинства остальных системных вызовов, включает большое количество разнообразных проверок, инициализаций и очистку значений аргументов. Полезная работа включает в себя только чтение или запись полей

policy

и

rt_priority

структуры

task_struct

указанного процесса.

Системные вызовы

sched_setparam

и

sched_getparam

позволяют установить и получить значение приоритета реального времени для указанного процесса. Последняя функция просто возвращает значение поля

rt_priority

, инкапсулированное в специальную структуру

sched_param

. Вызовы

sched_get_priority_max

и

sched_get_priority_min

возвращают соответственно максимальное и минимальное значение приоритета реального времени для указанной стратегии планирования. Максимальное значение приоритета для стратегий планирования реального времени равно (

MAX_USER_RT_PRIO-1

), а минимальное значение — 1.

Для обычных задач функция

nice

увеличивает значение статического приоритета вызывающего процесса на указанную в аргументе величину. Только пользователь root может указывать отрицательные значения, т.е. уменьшать значение параметра nice и соответственно увеличивать приоритет. Функция

nice

вызывает функцию ядра

set_user_nice

, которая устанавливает значение полей

static_prio

и

prio

структуры

task_struct

.

Системные вызовы управления процессорной привязкой

Планировщик ОС Linux может обеспечивать жесткую процессорную привязку (processor affinity). Хотя планировщик пытается обеспечивать мягкую или естественную привязку путем удержания процессов на одном и том же процессоре, он также позволяет пользователям сказать: "Эти задания должны выполняться только на указанных процессорах независимо ни от чего". Значение жесткой привязки хранится в виде битовой маски в поле

cpus_allowed

структуры

task_struct

. Эта битовая маска содержит один бит для каждого возможного процессора в системе. По умолчанию все биты установлены в значение 1, и поэтому процесс потенциально может выполняться на всех процессорах в системе. Пользователь с помощью функции

sched_setaffinity

может указать другую битовую маску с любой комбинацией установленных битов. Аналогично функция

sched_getaffinity

возвращает текущее значение битовой маски

cpus_allowed

.

Ядро обеспечивает жесткую привязку очень простым способом. Во-первых, только что созданный процесс наследует маску привязки от родительского процесса. Поскольку родительский процесс выполняется на дозволенном процессоре, то и порожденный процесс также будет выполняться на дозволенном процессоре. Во-вторых, когда привязка процесса изменяется, ядро использует миграционные потоки (migration threads) для проталкивания задания на дозволенный процессор. Следовательно, процесс всегда выполняется только на том процессоре, которому соответствует установленный бит в поле

cpus_allowed

дескриптора процесса.