Linux的Deadline实时调度算法

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1）

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：

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2）

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3）

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：

rb_node：红黑树节点，用来将任务添加到 Deadline 运行队列中。

dl_runtime：任务能够运行的时间。

dl_deadline：任务的相对限期。

dl_period：任务的调度周期。

runtime：任务的剩余运行时间。

deadline：任务的绝对限期（dl_deadline 字段加上当前时间）。

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：

将任务重新添加到 Deadline 调度器的运行队列中。

进行进程调度（在中断返回时）。