简介

在多任务操作系统中，调度策略决定了任务的执行顺序和时间分配。对于实时应用（如 AI 推理、工业自动化等），选择合适的调度策略至关重要。Linux 提供了多种调度策略，其中 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 是两种实时调度策略，它们能够确保任务在严格的时间约束内完成。

在实际应用中，例如 AI 推理任务，通常需要在极短的时间内完成复杂的计算。如果使用默认的普通调度策略（SCHED_OTHER），这些任务可能会因为优先级较低而被其他任务抢占，导致延迟增加。通过使用 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR，可以显著提高任务的响应速度和执行效率。

掌握实时调度策略的配置对于开发者来说非常重要。它不仅可以优化系统的实时性能，还能提高任务的可靠性和稳定性。此外，这种技能在处理实时性要求较高的任务（如金融交易系统、自动驾驶系统等）中也具有广泛的应用价值。

核心概念

调度策略

调度策略决定了操作系统如何分配 CPU 时间给不同的任务。Linux 提供了以下几种主要的调度策略：

• SCHED_OTHER：默认的调度策略，也称为时间片轮转调度。它适用于大多数通用任务，通过分配时间片来确保公平性。

• SCHED_FIFO：先进先出调度策略，实时任务按优先级顺序执行，高优先级任务会抢占低优先级任务的 CPU 时间。一旦任务开始运行，它将一直运行直到完成或被更高优先级的任务抢占。

• SCHED_RR：轮转调度策略，类似于 SCHED_FIFO，但每个任务都有一个时间片限制。当任务的时间片用完时，它会被放入等待队列，等待下一次调度。

实时任务的特性

实时任务是指那些对时间敏感的任务，它们需要在特定的时间范围内完成。根据时间约束的严格程度，实时任务通常分为硬实时任务和软实时任务：

• 硬实时任务：必须在绝对确定的时间内完成，否则可能导致系统故障或数据丢失。

• 软实时任务：虽然也有时间要求，但允许一定程度的延迟。

实时优先级

实时任务的优先级决定了它们在调度中的顺序。在 Linux 中，实时优先级的范围通常是 1 到 99，其中 99 是最高优先级。通过设置实时优先级，可以确保关键任务获得足够的 CPU 时间。

环境准备

软硬件环境

• 操作系统：推荐使用支持实时特性的 Linux 发行版，如 Ubuntu 20.04 LTS 或 CentOS 8。

• 硬件要求：至少需要 2 核 CPU 和 4GB 内存，以确保系统能够高效运行多核任务。

• 开发工具：基本的 Linux 系统管理工具（如 chrt、gcc 等）。

环境安装与配置

1. 安装必要的工具

   • 安装 chrt 工具，用于设置实时调度策略：

   • sudo apt-get update
     sudo apt-get install -y util-linux

   • 安装 gcc 编译器，用于编译测试代码：

   • sudo apt-get install -y gcc

   • 查看系统 CPU 核心信息

     • 使用 lscpu 命令查看系统的 CPU 核心信息：

     • lscpu

     • 记录下 CPU 核心的数量和核心 ID，这将用于后续的调度策略配置。

应用场景

在 AI 推理系统中，实时调度策略可以显著提高推理任务的响应速度和执行效率。例如，在自动驾驶系统中，AI 模型需要在极短的时间内处理传感器数据并做出决策。如果使用默认的普通调度策略（SCHED_OTHER），这些任务可能会因为优先级较低而被其他任务抢占，导致延迟增加。通过使用 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR，可以确保 AI 推理任务获得足够的 CPU 时间，从而提高系统的实时性和可靠性。

实际案例与步骤

编写测试代码

1. 创建测试代码

   • 编写一个简单的 C 程序，用于测试不同调度策略下的任务执行时间。以下是一个示例代码：

   • #include <stdio.h>
     #include <sched.h>
     #include <unistd.h>
     #include <time.h>
     
     void run_task(const char* name, int priority) {
         struct sched_param param;
         param.sched_priority = priority;
     
         // 设置调度策略
         if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
             perror("sched_setscheduler");
             return;
         }
     
         // 记录开始时间
         struct timespec start, end;
         clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
     
         // 执行任务
         for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
             // 模拟计算任务
             volatile int x = i * i;
         }
     
         // 记录结束时间
         clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);
     
         // 计算执行时间
         long long duration = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000000LL + (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
         printf("%s: Priority %d, Duration %lld ns\n", name, priority, duration);
     }
     
     int main() {
         // 测试 SCHED_FIFO 调度策略
         run_task("SCHED_FIFO", 50);
     
         // 测试 SCHED_OTHER 调度策略
         struct sched_param param;
         param.sched_priority = 0;
         if (sched_setscheduler(0, SCHED_OTHER, &param) == -1) {
             perror("sched_setscheduler");
             return 1;
         }
         run_task("SCHED_OTHER", 0);
     
         return 0;
     }

• 编译测试代码

  • 使用 gcc 编译测试代码：

  • gcc -o test_scheduler test_scheduler.c

• 运行测试代码

  • 运行测试代码，观察不同调度策略下的任务执行时间：

  • ./test_scheduler

对比不同调度策略

1. 运行测试代码

   • 运行测试代码，观察不同调度策略下的任务执行时间：

   • ./test_scheduler

   • 输出结果可能类似于以下内容：

1. • SCHED_FIFO: Priority 50, Duration 123456 ns
     SCHED_OTHER: Priority 0, Duration 234567 ns

2. 分析结果

   • 从结果可以看出，使用 SCHED_FIFO 调度策略的任务执行时间明显短于使用 SCHED_OTHER 调度策略的任务。这是因为 SCHED_FIFO 能够确保任务在高优先级下连续运行，减少了上下文切换和任务抢占。

配置实时调度策略

1. 设置实时调度策略

   • 使用 chrt 工具设置实时调度策略。例如，将任务的调度策略设置为 SCHED_FIFO，优先级为 50：

   • chrt -f 50 ./test_scheduler

• 验证配置

  • 使用 ps 命令验证任务的调度策略和优先级：

  • ps -eo pid,comm,pri,ni,rtprio

常见问题与解答

Q1：如何确定任务的调度策略和优先级？

A1：可以通过 ps 命令查看任务的调度策略和优先级。例如：

ps -eo pid,comm,pri,ni,rtprio

这将显示每个任务的 PID、命令名称、优先级和实时优先级。

Q2：为什么使用 SCHED_FIFO 时任务执行时间更短？

A2：SCHED_FIFO 是一种实时调度策略，它能够确保任务在高优先级下连续运行，减少了上下文切换和任务抢占。相比之下，SCHED_OTHER 是一种普通调度策略，任务可能会因为时间片用完而被其他任务抢占，导致执行时间增加。

Q3：如何动态调整任务的调度策略？

A3：可以通过 chrt 工具动态调整任务的调度策略。例如：

chrt -f 50 <pid>

这将动态将指定 PID 的任务的调度策略设置为 SCHED_FIFO，优先级为 50。

实践建议与最佳实践

调试技巧

• 使用 perf 工具分析任务的执行性能，找出潜在的性能瓶颈。

• 使用 strace 工具跟踪任务的系统调用，以确定是否存在任务抢占或上下文切换。

性能优化

• 合理设置任务的优先级，避免过高优先级导致系统资源过度集中。

• 定期监控系统性能，根据实际需求调整任务的调度策略。

常见错误解决方案

• 如果任务无法设置为实时调度策略，检查系统是否支持实时调度（如内核配置）。

• 如果任务执行时间异常，检查是否存在其他高优先级任务干扰。

总结与应用场景

通过本文的实战教程，我们详细介绍了如何在 Linux 系统中使用 SCHED_FIFO 和 SCHED_RR 实时调度策略，并通过测试代码对比了这些策略与普通调度策略（SCHED_OTHER）在抢占式任务中的表现差异。实时调度策略在 AI 推理、自动驾驶、工业自动化等实时性要求较高的场景中具有广泛的应用前景。掌握这些技能后，开发者可以更好地优化系统的实时性能，提高任务的响应速度和执行效率。希望读者能够将所学知识应用到实际项目中，充分发挥实时调度策略的优势，构建高效、可靠的实时系统。