Deadline实时调度算法详解

严格来说,Linux 不是实时操作系统,但 Linux 却支持实时调度算法。

与通用调度算法(如完全公平调度算法)相比,实时调度算法更注重任务(进程)的实时性。

为什么 Linux 支持实时调度算法,却不是实时操作系统呢?

有兴趣的同学可以去网上查阅相关的文献或者资料。

本文主要介绍 Linux 的 Deadline 实时调度算法。

什么是实时操作系统

实时操作系统能够保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。

实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。

属于硬实时操作系统的有 WinDriver 公司开发的 VxWorks 和 BlackBerry 公司的 QNX 等,而 Linux 则属于软实时操作系统。

Deadline 调度算法原理

我们先来介绍一下 Deadline 调度算法的原理。

实时系统除了要求在确定的时间期限内做出响应外,还要求在确定的时间期限内完成任务,这个确定的时间期限,我们称之为 Deadline。如果系统未能在 Deadline 内完成任务,那么该系统就会产生错误。

Deadline 调度器定义了三个元素:

  • period:调度周期,即该任务需要被调度的周期时间。例如,地球围绕太阳旋转一周为一个周期,称之为一年。
  • runtime:每周期内的运行时间,即该任务在该调度周期内至少能够运行的时间。
  • deadline:每周期的截止时间,即该任务在一个调度周期内,必须在截止时间之前完成任务。在 Deadline 调度器中,deadline 可以与 period 相同,称作 “implicit deadline”,deadline 也可以小于 period,称作 “constrained deadline”。

这三个元素的关系可以见下图:

图片[1]-Deadline实时调度算法详解-不念博客

从上图可以看出,三者之间的关系:runtime ≤ deadline ≤ period。

我们举一个实际的例子,假设系统中有三个周期性任务。为了简单起见,本例中的任务为之前面提到过的 “implicit deadline”,即 deadline 等于 period:

TaskRuntimePeriod
T114
T226
T338

如果三个任务都运行在同一个 CPU 上,那么 CPU 的利用率为(未达到100%):

CPU利用率 = 1/4 + 2/6 + 3/8 = 23/24

那么这三个任务的工作状态可以如下图所示:

图片[2]-Deadline实时调度算法详解-不念博客

通过上图可知,三个任务都在 deadline 之前完成了各自的任务,周而复始。也就是说,当系统中所有任务的 CPU 利用率不超过 100% 时,Deadline 调度器能够很好的满足每个任务的需求。

Deadline 调度算法实现

1. 关键数据结构

在 Linux 内核中,每种调度器都会定义一个运行队列来存储系统中的任务(进程)。Deadline 调度器则通过 dl_rq 结构来描述这个运行队列,其定义如下:

struct dl_rq {
    struct rb_root rb_root;      // 红黑树根节点
    struct rb_node *rb_leftmost; // 保存deadline最早到期的任务
    unsigned long dl_nr_running; // 队列中有多少个实时任务
    ...
};

从 dl_rq 结构的定义可以看出,Deadline 调度器使用红黑树(红黑树是一种平衡二叉树)来存储系统中的实时任务,而红黑树的键则是任务的限期(deadline)。如下图所示:

图片[3]-Deadline实时调度算法详解-不念博客

上图中的数字就是任务的 deadline。

Linux 内核通过 sched_dl_entity 结构体来描述一个实时任务,其中的 deadline 字段则表示任务的 deadline。

我们来看看 sched_dl_entity 结构的定义:

struct sched_dl_entity {
    struct rb_node rb_node;  // 红黑树节点

    u64 dl_runtime;          // 任务能够运行的时间
    u64 dl_deadline;         // 任务的相对限期
    u64 dl_period;           // 任务的调度周期
    u64 dl_bw;               // dl_runtime / dl_deadline

    s64 runtime;             // 任务的剩余运行时间
    u64 deadline;            // 任务的绝对限期(dl_deadline加上当前时间)
    ...
    struct hrtimer dl_timer; // 高精度定时器,用来实现任务的周期调度
};

下面介绍一下 sched_dl_entity 结构各个字段的作用:

  1. rb_node:红黑树节点,用来将任务添加到 Deadline 运行队列中。
  2. dl_runtime:任务能够运行的时间。
  3. dl_deadline:任务的相对限期。
  4. dl_period:任务的调度周期。
  5. runtime:任务的剩余运行时间。
  6. deadline:任务的绝对限期(dl_deadline 字段加上当前时间)。
  7. dl_timer:高精度定时器,用来实现任务的周期性调度。

2. 实现逻辑

Deadline 调度器实现了两种调度算法:

  • EDF,Early deadline first。
  • CBS,Constant bindwidth server。

下面我们来介绍一下 EDF 算法的实现。

所谓EDF,即 deadline 最早到期的任务优先得到调度。在 EDF 算法实现中,调度器会通过红黑树来存储系统中的实时任务,而红黑树的键就是任务的 deadline,如图 3 所示。

Deadline 调度器通过调用 enqueue_dl_entity() 函数来将一个实时任务添加到运行队列中,而 enqueue_dl_entity() 函数最终会调用 __enqueue_dl_entity() 函数来实现将任务添加到队列中。

我们来看看 __enqueue_dl_entity() 函数的实现:

static void __enqueue_dl_entity(struct sched_dl_entity *dl_se)
{
    struct dl_rq *dl_rq = dl_rq_of_se(dl_se);
    struct rb_node **link = &dl_rq->rb_root.rb_node;
    struct rb_node *parent = NULL;
    struct sched_dl_entity *entry;
    int leftmost = 1;

    // 1. 通过任务的deadline,找到其在运行队列红黑树中的位置
    while (*link) {
        parent = *link;
        entry = rb_entry(parent, struct sched_dl_entity, rb_node);

        if (dl_time_before(dl_se->deadline, entry->deadline))
            link = &parent->rb_left;
        else {
            link = &parent->rb_right;
            leftmost = 0;
        }
    }

    // 2. 如果当前任务是队列中deadline最早到期的,那么缓存到运行队列的rb_leftmost字段中
    if (leftmost)
        dl_rq->rb_leftmost = &dl_se->rb_node;

    // 3. 将任务添加到运行队列的红黑树中
    rb_link_node(&dl_se->rb_node, parent, link);
    rb_insert_color(&dl_se->rb_node, &dl_rq->rb_root);

    // 4. 增加运行队列的任务数
    inc_dl_tasks(dl_se, dl_rq);
}

从上面代码可以看到,当把一个实时任务添加到运行队列的红黑树中时,是根据该任务的 deadline 来找到其在红黑树中的相应位置,然后添加到运行队列的红黑树中。任务添加成功后,会增加运行队列的任务计数器。

当进行任务切换时,Deadline 调度器选择红黑树最左面的节点进行调度,其通过 pick_next_task_dl() 函数来实现,代码如下:

struct task_struct *
pick_next_task_dl(struct rq *rq, struct task_struct *prev)
{
    struct sched_dl_entity *dl_se;
    struct task_struct *p;
    struct dl_rq *dl_rq;

    dl_rq = &rq->dl;
    ...
    // 1. 找到 deadline 最早到期的调度实体
    dl_se = pick_next_dl_entity(rq, dl_rq);
    // 2. 获取改调度实体对应的任务
    p = dl_task_of(dl_se);
    ...
    // 3. 返回 deadline 最早到期的任务
    return p;
}

pick_next_task_dl() 函数通过取得运行队列红黑树的最左边的节点,并返回该节点上对应的任务。

那么 Deadline 调度器是怎么保证每个任务都能在其调度周期内执行呢?

每个任务都有一个高精度定时器(sched_dl_entity 结构的 dl_timer 字段),其超时时间为任务的调度周期。当定时器触发时,便会调用 dl_task_timer() 函数来处理定时器事件。我们来看看 dl_task_timer() 函数的实现:

static enum hrtimer_restart dl_task_timer(struct hrtimer *timer)
{
    struct sched_dl_entity *dl_se = container_of(timer, struct sched_dl_entity, dl_timer);
    struct task_struct *p = dl_task_of(dl_se);
    ...
    // 1. 将任务添加到运行队列中
    enqueue_task_dl(rq, p, ENQUEUE_REPLENISH);
    if (dl_task(rq->curr)) {
        check_preempt_curr_dl(rq, p, 0);
    } else {
        // 2. 进行进程调度
        resched_curr(rq);
    }
    ...
}

dl_task_timer() 函数的主要完成以下两个步骤:

  1. 将任务重新添加到 Deadline 调度器的运行队列中。
  2. 进行进程调度(在中断返回时)。
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THE END
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