Linux内核进程调度Deadline调度器的解析与实践

原创于 2025-08-06 09:07:32 发布 · 566 阅读

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1 背景

2 Deadline调度器任务优先级的确定

1 背景

在Linux操作系统中，进程调度负责在并发运行的进程之间，合理分配CPU资源，是Linux内核的核心功能之一。进程调度决定了系统的整体性能，合理的进程调度能够确保系统的响应速度，提供良好的用户体验，还能够实现资源的有效利用，充分发挥CPU的性能。

进程任务在运行过程中根据其特性有不同的要求，有的对吞吐量要求高，有的对延指标要求高，有的长时间占用CPU资源，有的长时间占用网络资源。Linux内核提供了多种调度器，以满足不同场景下的任务需求。主要有Deadline调度器、实时调度器、公平调度器等，本文主要解析Deadline调度器的原理和使用方式。

Deadline调度算法是实时调度算法的重要成员，核心原则是根据任务的截止时间来分配优先级。截止时间越早，任务优先级越高，就越优先被调度执行。该算法的实现机制精巧。当系统中有新任务到达，调度器会依据任务的截止时间设置调度顺序。调度器维护一个按截止时间排序的任务队列，每次调度时，从队列头部选取截止时间最早的任务执行。在执行过程中，若有新任务加入且其截止时间比当前执行任务更早，调度器会立即暂停当前任务，执行新任务。

Deadline调度算法适合实时性要求高、任务数量多的场景。在工业自动化中、自动驾驶、多媒体实时播放、音视频流处理、交通、医疗等领域都有着极高的应用场景。Deadline调度算法也面临挑战，系统过载时，无法保证所有任务按时完成。

管理人员在使用Deadline算法时需要合理的规划调度器的使用，结合准入控制机制，合理拒绝无法按时执行的任务、设置任务截止时间不合理的任务。为了避免进程使用Deadline调度时过载，Deadline调度器有一个准入机制，在任务配置好了period、runtime和deadline参数之后并准备加入到系统的时候，Deadline调度器会对该任务进行评估，只有评估通过的进程才允许添加到调度队列中，否则会被拒绝。

Deadline调度器任务优先级的确定

Deadline调度器判断任务重要性的标准就是任务的截止时间。任务创建时，调度器会获取其截止时间信息，并将其作为优先级分配的核心依据。类似于快递包裹上标着“限时30分钟送达”时，自然会被快递处理人员赋予高优先级。

2 Deadline调度器任务优先级的确定

3 Deadline调度器任务队列管理

Deadline调度器存在一个或者多个按照任务截止时间进行排序任务队列，任务创建时，会根据其截止时间插入到合适位置；当任务执行完毕或被移除时，队列会重新调整，确保截止时间顺序不变。

4 Deadline调度器执行过程

Deadline调度器从任务队列头部选取任务，将CPU资源分配给任务并执行。在任务执行期间，调度器时刻监控是否有优先级更高的任务，如果有调度器会立即触发抢占机制。Deadline调度器通常采用抢占式调度策略，以应对突发的紧急任务。

5 Deadline调度器准入条件

为保证任务能够在规定的时间内完成。Deadline调度器使用带宽来判断。带宽的判断方法如下：

每个任务通过任务deadline（scheduling deadline）与任务剩余的运行时间（remaining runtime）来描述任务使用时间的情况。当任务被唤醒时，系统会对该任务做以下校验：

校验任务是否已经错过了当前deadline（scheduling deadline < now）；
校验带宽是否溢出，即在当前period中，CPU是否已经无法满足该任务的带宽要求（remaining runtime / (scheduling deadline - now) > runtime / period）。

如果二者都不成立，则说明该任务状态良好，否则则说明该任务已经无法在当前period内按时完成了，需要将其往后顺移。调度器会对其状态做如下修改（scheduling deadline = now + deadline remaining runtime = runtime）。

当 remaining runtime <= 0 时，任务已经没法在deadline完成，此时该任务的状态会被设置为throttled, 调度器将暂停对其进行调度。调度器会重新设置调度时间。

6 Deadline调度器控制参数

Deadline调度器专注于队任务截止时间有要求的实时任务，满足任务的时间期限要求，确保任务在截止时间之前完成执行。Deadline调度器采用最早截止时间优先（EDF，Earliest Deadline First）算法和恒定带宽服务器（CBS，Constant Bandwidth Server）算法来确定任务的执行顺序和调度行为。可以用在工业控制系统、航空航天、金融交易系统等对时间精度要求极高的领域，够为这些关键系统提供稳定可靠的时间保障。

Deadline调度器主要有三个控制参数：runtime，period，deadline。Runtime表示任务在一个周期内的运行时间；period标识运行周期的长短；deadline表示任务在运行周期内最晚完成的时间。可以通过chrt指令设置这三个参数。如

chrt -d --sched-runtime 5000000 --sched-deadline 10000000 \ --sched-period 16666666 0 test_deadline

-d参数表示设置的调度策略是Deadline调度器。0为优先级占位符，chrt命令所需，deadline调度器并不使用,其它的对应runtime、deadline和period，单位都是纳秒。通过这样的配置，在每16毫秒的周期内，分配给该任务5毫秒的CPU运行时间，而且这个5毫秒的CPU时间会在10毫秒内的截止时间之前完成。

7 Deadline调度器的使用方法

为进程设置Deadline调度器的时候，需要合理规划当前进行的调度能力。如果使用实时调度进程数量少于CPU核心数量，可以简单的设置进程的调度器就可以了；如果使用实时调度进程数量多于CPU的核心数量，就需要管理人员合理的规划实时进程运行的CPU位置，必要时可以联合cpuset机制完成调度策略的设置。

启动进程的时候设置进程使用Deadline调度器

检测该进程是否使用Deadline调度器

通过sched_setattr函数设置进程为使用Deadline调度器

struct sched_attr attr;

unsigned int flags = 0;

attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;

attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;

attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;

sched_setattr(0, &attr, flags);