Linux 编程：高实时性场景下的内核线程调度与网络包发送优化

0. 引言

本文将简介 Linux 内核中的线程调度策略，并介绍在实时要求较高的网络应用（如自动驾驶系统和机器人）中的配置。

1. Linux 内核线程的调度策略

1.1 CFS（完全公平调度器）

CFS 是 Linux 系统中默认的调度器，它的理念是确保所有进程都能公平地共享 CPU 资源。在 CFS 中，进程的 CPU 使用时间是基于其虚拟时间来衡量的，且系统会通过动态调整进程的权重来分配 CPU 时间。

• 优点：公平性、适用于多任务环境。
• 缺点：可能不适用于低延迟和实时性的要求。

1.2 实时调度策略

在某些实时性场景，Linux 提供两种主要的实时调度策略：

• SCHED_FIFO（先来先服务调度）：该策略按任务的优先级进行调度，优先级高的任务优先执行，且任务不会被时间片抢占，直到任务完成或被更高优先级任务中断。
• SCHED_RR（轮询调度）：与 SCHED_FIFO 类似，但任务会被分配一个固定的时间片，时间片用完后会被调度回队列末尾，确保公平性。

这些策略特别适用于需要高实时性的任务，如实时网络数据处理。

1.3 SCHED_IDLE（空闲调度）

SCHED_IDLE 是最低优先级的调度策略，通常用于当系统没有其他活跃任务时的处理。该策略在内核线程调度中很少使用，但在一些低优先级的系统任务中可能会应用。

2. 高实时性需求场景的调度策略

2.1 实时调度策略（SCHED_FIFO 和 SCHED_RR）

针对那些对实时性有较高需求的应用场景，例如自动驾驶系统或工业控制系统，可以通过将相关处理任务设定为 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR 调度策略，以确保其优先得到调度执行。

• SCHED_FIFO：特别适合那些对延迟极为敏感的任务。采用此策略的任务一旦开始执行，就不会被其他任务所中断，直至完成。
• SCHED_RR：它在保持一定实时性的同时，也考虑到了任务间的公平性，更适合于那些需要定期调度的任务。

在网络数据处理方面，特别是对于依赖UDP协议的应用，丢包现象通常由以下几个原因引起：

• 网络带宽不足：网络拥堵会导致数据包无法成功传输而丢失。
• 内核缓冲区溢出：如果数据包到达的速度超过了系统的处理能力，导致缓冲区满载，新来的数据包就会被丢弃。
• CPU资源争用：当CPU资源紧张时，可能会影响到网络栈的处理效率，进而增加UDP包丢失的风险。

为了减少这类问题的发生，可以将负责网络模块及中断处理的线程配置为使用 SCHED_FIFO 调度策略，这样可以确保这些重要任务能够迅速获取到必要的CPU资源，防止被其他低优先级任务干扰。

这样做带来的好处包括：

• 降低延迟：确保网络和中断处理相关的代码能够优先运行，有效减少因任务调度引起的延迟。
• 增强吞吐量：即使在高负载环境下，也能保证网络任务的快速响应，有助于减少数据包丢失的情况。

2.2 PREEMPT-RT 补丁

PREEMPT-RT 是一种实时内核补丁，旨在缩短内核不可中断的时间，从而提升系统对实时任务的响应速度。对于需要高实时性的应用，启用 PREEMPT-RT 可显著减少调度延迟，确保高优先级任务迅速获得 CPU 资源。
PREEMPT-RT 在高负载下能有效降低 UDP 丢包概率：

• 提高响应速度：通过减少内核调度延迟，PREEMPT-RT 改进了实时任务（如 UDP 数据包发送）的响应时间，增强了系统的实时性能。
• 减少调度延迟：提高网络任务的优先级，确保 UDP 包及时发送。
• 优化中断处理：降低网络驱动中断延迟，加快数据包处理速度，提高网络稳定性。

3. 通过系统调用配置线程调度策略与优先级

通过系统调用配置 Linux 线程的调度策略和优先级，这使得可以更好地控制任务的执行顺序和实时性。

3.1 pthread_setschedparam 和 sched_setscheduler 系统调用

3.1.1 pthread_setschedparam 用于线程调度

对于 POSIX 线程（pthread），可以使用 pthread_setschedparam 函数来设置线程的调度策略和优先级。该函数允许你指定线程的调度策略（如 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR）以及相应的优先级，从而确保实时任务能够获得适当的资源和优先级。

int pthread_setschedparam(pthread_t thread, int policy, const struct sched_param *param);

• thread：要修改调度策略的目标线程。
• policy：调度策略，可以是 SCHED_FIFO、SCHED_RR 或其他策略。
• param：指向 sched_param 结构体的指针，该结构体用于指定线程的优先级。

例如，为某个线程设置为 SCHED_FIFO 调度策略，并将优先级设置为 10：

pthread_t thread;
// 线程创建代码略
struct sched_param param;
param.sched_priority = 10;  // 设置线程的优先级
pthread_setschedparam(thread, SCHED_FIFO, &param);

3.1.2 sched_setscheduler 用于进程或线程调度

如果你想为任意进程或线程设置调度策略（不仅仅是 pthread），可以使用 sched_setscheduler。它提供了更广泛的控制权限，允许开发者设置系统中的任何进程的调度策略和优先级。

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

• pid：进程的 ID（PID），对于当前进程，传递 0 即可。
• policy：调度策略（如 SCHED_FIFO、SCHED_RR）。
• param：指向 sched_param 结构体的指针，该结构体包含优先级信息。

例如，设置当前进程为 SCHED_RR 策略，并指定优先级为 20：

struct sched_param param;
param.sched_priority = 20;  // 设置进程的优先级
sched_setscheduler(0, SCHED_RR, &param);

3.2 调度策略与优先级的关系

• SCHED_FIFO：该策略会将线程按照优先级顺序调度，优先级高的线程将优先执行。使用 pthread_setschedparam 或 sched_setscheduler 可以设置具体线程或进程的优先级，使得系统在资源竞争时优先调度关键任务。

• SCHED_RR：与 SCHED_FIFO 类似，SCHED_RR 也使用优先级来调度任务，但在每个任务的时间片用完后，任务会被重新调度到队列末尾。通过设置线程的优先级，可以调整任务的轮询频率和优先级，从而实现一定的公平性。

• 优先级范围：在 Linux 系统中，实时优先级范围通常为 1 到 99，数值越大，优先级越高。实时调度策略的优先级通常要高于普通进程的优先级，这意味着使用实时策略时，线程的优先级将直接影响它的调度优先级。

4. 总结

• CFS 调度器是 Linux 默认的调度策略，适用于大多数通用应用，但在实时性要求较高的场景中可能需要使用 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR 等实时调度策略。
• PREEMPT-RT 补丁 可以优化系统的实时性，减少内核的调度延迟，尤其适用于需要低延迟和高实时性的嵌入式系统和自动驾驶等应用。
• 对于需要处理实时数据的系统，使用 SCHED_FIFO 配置网络和中断处理线程，可以最大程度地减少延迟和丢包，提高系统性能和稳定性。