【实时Linux实战系列】Linux 内核的实时组调度（Real-Time Group Scheduling）

在多任务操作系统中，实时任务的调度是一个关键问题。Linux内核提供了多种调度策略来满足不同应用的需求。对于需要高实时性的应用，如工业自动化、航空航天、金融交易等，实时调度策略（SCHED_FIFO和SCHED_RR）是必不可少的。然而，实时任务可能会因为优先级反转或资源竞争而耗尽系统的实时处理能力，导致系统响应延迟增加。为了解决这个问题，Linux内核引入了实时组调度（Real-Time Group Scheduling，CONFIG_RT_GROUP_SCHED）特性，允许为cgroup分配固定的CPU实时运行时间配额。

项目背景与重要性

实时组调度特性允许系统管理员为不同的任务组分配实时CPU时间配额，确保每个组都能获得足够的CPU时间，从而避免某个实时应用独占CPU时间。这种特性在多用户、多任务的实时系统中尤为重要，可以有效提高系统的整体性能和稳定性。

对于开发者而言，掌握实时组调度的配置和使用方法，不仅可以提升你在实时系统开发领域的竞争力，还能帮助你更好地理解和应用现代操作系统调度机制。

核心概念

在深入实践之前，我们需要了解一些与实时组调度相关的基本概念和术语。

实时任务的特性

实时任务是指那些对时间敏感的任务，它们必须在规定的时间内完成。实时任务通常分为两类：

• 硬实时任务：必须在严格的时间限制内完成，否则可能导致系统故障。例如，自动驾驶汽车中的紧急制动系统。

• 软实时任务：虽然也需要在一定时间内完成，但偶尔的延迟不会导致系统故障。例如，视频流媒体服务。

相关术语

• cgroup（Control Group）：Linux内核提供的一种机制，用于限制、记录和隔离进程组使用的物理资源（如CPU、内存、磁盘I/O等）。

• CPU时间配额（CPU Time Quota）：为cgroup分配的CPU时间上限，单位为微秒（us）。

• 实时优先级（Real-Time Priority）：实时任务的优先级，范围通常为1到99，数值越大优先级越高。

• SCHED_FIFO：实时调度策略，任务一旦运行，将一直运行直到完成或被更高优先级的任务抢占。

• SCHED_RR：实时调度策略，任务运行一段时间后会释放CPU，允许其他任务运行。

使用的工具

• Linux内核：支持实时组调度特性的Linux内核版本。

• cgroup工具 ：如cgcreate、cgset、cgexec等，用于创建和管理cgroup。

• 任务调度工具 ：如chrt，用于设置任务的调度策略和优先级。

环境准备

在开始实践之前，我们需要准备以下软硬件环境。

硬件环境

• 计算机：运行Linux操作系统的计算机，用于开发和测试。

软件环境

• 操作系统：支持实时组调度特性的Linux发行版，如Ubuntu或Fedora。

• 开发工具：

  • 文本编辑器：如VS Code或Sublime Text。

  • 任务调度工具 ：chrt。

  • cgroup工具 ：cgroup-tools。

环境安装与配置

1. 安装操作系统

   • 下载并安装支持实时组调度特性的Linux发行版，如Ubuntu或Fedora。

2. 安装cgroup工具

   • 打开终端，运行以下命令安装cgroup工具：

     sudo apt-get update
     sudo apt-get install cgroup-tools

• 安装任务调度工具

  • 安装chrt工具

    sudo apt-get install util-linux

实际案例与步骤

接下来，我们将通过一个具体的案例，逐步展示如何使用Linux内核的实时组调度特性。我们将创建两个cgroup，分别为它们分配不同的CPU实时运行时间配额，并运行两个实时任务，观察它们的调度行为。

创建cgroup

1. 创建cgroup

   • 创建两个cgroup，分别命名为group1和group2：

     sudo cgcreate -g cpu:/group1
     sudo cgcreate -g cpu:/group2

• 设置cgroup的CPU时间配额

  • 为group1分配10000微秒的CPU时间配额：

  sudo cgset -r cpu.rt_runtime_us=10000 group1

• 为group2分配20000微秒的CPU时间配额：

  sudo cgset -r cpu.rt_runtime_us=20000 group2

编写实时任务

1. 创建实时任务

   • 创建两个简单的实时任务，分别运行在group1和group2中。以下是一个简单的实时任务代码示例：

     #include <stdio.h>
     #include <stdlib.h>
     #include <unistd.h>
     #include <sched.h>
   
     void run_realtime_task(int priority) {
         struct sched_param param;
         param.sched_priority = priority;
   
         // 设置实时调度策略
         if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
             perror("sched_setscheduler failed");
             exit(EXIT_FAILURE);
         }
   
         printf("Running real-time task with priority %d\n", priority);
   
         // 主循环
         while (1) {
             // 模拟工作负载
             usleep(1000);
         }
     }
   
     int main(int argc, char *argv[]) {
         if (argc != 2) {
             fprintf(stderr, "Usage: %s <priority>\n", argv[0]);
             exit(EXIT_FAILURE);
         }
   
         int priority = atoi(argv[1]);
         run_realtime_task(priority);
         return 0;
     }

• 编译实时任务

  • 使用gcc编译实时任务代码：

    gcc -o realtime_task realtime_task.c

运行实时任务

1. 运行实时任务

   • 在group1中运行一个实时任务，优先级为50：

     sudo cgexec -g cpu:group1 ./realtime_task 50

   • 在group2中运行一个实时任务，优先级为70：

     sudo cgexec -g cpu:group2 ./realtime_task 70

观察调度行为

1. 观察任务调度

   • 使用top或htop工具观察两个实时任务的调度行为。你会发现，尽管group2中的任务优先级更高，但由于group1的CPU时间配额较小，group2中的任务仍然能够获得足够的CPU时间。

常见问题与解答

在实践过程中，可能会遇到一些常见问题。以下是一些常见问题及其解决方案。

问题1：cgroup创建失败

原因：可能是cgroup工具未正确安装，或者命令格式不正确。

解决方案：

• 确保cgroup工具已正确安装：

  sudo apt-get install cgroup-tools

• 检查命令格式是否正确。例如，创建cgroup的命令格式为：

  sudo cgcreate -g cpu:/<group_name>

问题2：实时任务无法运行

原因：可能是实时调度策略未正确设置，或者任务优先级超出范围。

解决方案：

• 确保实时调度策略已正确设置。例如，使用chrt工具设置任务的调度策略和优先级：

  sudo chrt -f 50 ./realtime_task

• 确保任务优先级在有效范围内（1到99）。

问题3：cgroup的CPU时间配额未生效

原因：可能是cgroup的配置未正确应用，或者内核版本不支持实时组调度特性。

解决方案：

• 检查cgroup的配置是否正确应用。例如，使用cgget命令查看cgroup的配置：

  sudo cgget -r cpu.rt_runtime_us group1

• 确保内核版本支持实时组调度特性。可以通过查看内核配置文件（/boot/config-$(uname -r)）来确认：

  grep CONFIG_RT_GROUP_SCHED /boot/config-$(uname -r)

实践建议与最佳实践

为了优化实时组调度的配置和使用，以下是一些实用的操作技巧和最佳实践。

调试技巧

• 使用dmesg查看内核日志：通过查看内核日志，可以获取实时任务的调度信息和错误信息。

• 使用top或htop观察任务调度：这些工具可以帮助你直观地观察实时任务的调度行为。

性能优化

• 合理分配CPU时间配额：根据应用的需求，合理分配每个cgroup的CPU时间配额，避免某个组独占CPU时间。

• 动态调整任务优先级：根据任务的实时性需求，动态调整任务的优先级，以提高系统的整体性能。

常见错误解决方案

• 任务调度异常：检查任务的调度策略和优先级设置是否正确。

• cgroup配置未生效：检查cgroup的配置是否正确应用，并确保内核版本支持实时组调度特性。

总结与应用场景

通过本文的实战教程，我们详细介绍了Linux内核的实时组调度特性（CONFIG_RT_GROUP_SCHED）。我们从核心概念入手，逐步讲解了环境准备、实际案例与步骤、常见问题与解答以及实践建议与最佳实践。掌握这些技能后，开发者可以在实际项目中应用实时组调度特性，提升系统的实时性和稳定性。

在实际应用中，实时组调度特性广泛应用于多用户、多任务的实时系统中，如工业自动化、航空航天、金融交易等。希望读者能够将所学知识应用到真实项目中，不断探索和创新。