LINUX 程序優先級與排程政策

1. 排程政策

//https://android.googlesource.com/kernel/common/+/refs/heads/android-4.14/include/uapi/linux/sched.h
.......
/*
 * Scheduling policies
 */
#define SCHED_NORMAL		0
#define SCHED_FIFO		1
#define SCHED_RR		2
#define SCHED_BATCH		3
/* SCHED_ISO: reserved but not implemented yet */
#define SCHED_IDLE		5
#define SCHED_DEADLINE		6
/*    
0: 預設的排程政策，針對的是普通程序。
1：針對實時程序的先進先出排程。适合對時間性要求比較高但每次運作時間比較短的程序。
2：針對的是實時程序的時間片輪轉排程。适合每次運作時間比較長得程序。
3：針對批處理程序的排程，适合那些非互動性且對cpu使用密集的程序。
SCHED_ISO：是核心的一個預留字段，目前還沒有使用
5：适用于SCHED_DEADLINE優先級較低的背景程序。
6：SCHED_DEADLINED在規定的期限内cpu必須要花指定的時間在本程序上。

SCHED_NORMAL和SCHED_BATCH排程普通的非實時程序,
SCHED_FIFO和SCHED_RR和SCHED_DEADLINE則采用不同的排程政策排程實時程序,
SCHED_IDLE則在系統空閑時調用idle程序.
*/

可以通過chrt檢視程序的排程政策和優先級

pencil: $ chrt -p 551
pid 551's current scheduling policy: SCHED_BATCH
pid 551's current scheduling priority: 0  #實時優先級，普通程序為0

pencil: $ chrt -p 511
pid 511's current scheduling policy: SCHED_FIFO
pid 511's current scheduling priority: 15 #實時程序優先級 1（優先級最低）～99（優先級最高）

2. 核心優先級表示

2.1 概述

核心使用0~139表示内部優先級, task_struct.prio 的數值越低, 優先級越高（注意：這裡指的是 task_struct.prio ,還有其他優先級表示，注意區分）
實時優先級範圍是 0 - MAX_RT_PRIO-1（即0 ~ 99）
普通程序的靜态優先級範圍是從 MAX_RT_PRIO - MAX_PRIO-1（即100~139），nice的值[-20,19]的映射的範圍就是對應優先級的100 - 139，

優先級範圍	描述
0——99	實時程序
100——139	非實時程序

貼下這部分的代碼，核心裡面有詳盡的注釋

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.1.5/source/include/linux/sched/prio.h

#define MAX_NICE	19
#define MIN_NICE	-20
#define NICE_WIDTH	(MAX_NICE - MIN_NICE + 1)

/*
 * Priority of a process goes from 0..MAX_PRIO-1, valid RT
 * priority is 0..MAX_RT_PRIO-1, and SCHED_NORMAL/SCHED_BATCH
 * tasks are in the range MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1. Priority
 * values are inverted: lower p->prio value means higher priority.
 
 * 這部分能看到SCHED_NORMAL/SCHED_BATCH的優先級在MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1（100 ~ 139），
 * 即普通非實時程序。而p->prio越小優先級越高
 
 * The MAX_USER_RT_PRIO value allows the actual maximum
 * RT priority to be separate from the value exported to
 * user-space.  This allows kernel threads to set their
 * priority to a value higher than any user task. Note:
 * MAX_RT_PRIO must not be smaller than MAX_USER_RT_PRIO.
 */

#define MAX_USER_RT_PRIO	100
#define MAX_RT_PRIO		MAX_USER_RT_PRIO

#define MAX_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH)
#define DEFAULT_PRIO		(MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)

/*
 * Convert user-nice values [ -20 ... 0 ... 19 ]
 * to static priority [ MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1 ],
 * and back.
 看到NICE值對應的是MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1
  [ -20 ... 0 ... 19 ] ~ [ MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1 ]
 */

#define NICE_TO_PRIO(nice)	((nice) + DEFAULT_PRIO)
#define PRIO_TO_NICE(prio)	((prio) - DEFAULT_PRIO)

2.2 核心優先級表示

在核心task_struct中有四個字段表示優先級，分别是：static_prio，rt_priority，normal_prio，prio，這四種優先級需要注意 rt_priority 不是越小優先級越高，而是越大優先級越高，見下文

靜态優先級	實時優先級	普通優先級	動态優先級
static_prio	rt_priority	normal_prio	prio

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.1.5/source/include/linux/sched.h#L585
struct task_struct {
............
	int				recent_used_cpu;
	int				wake_cpu;
#endif
	int				on_rq;
	 /* prio: 動态優先級, 範圍為100~139，與靜态優先級和補償(bonus)有關*/
	int				prio;
    /* static_prio: 靜态優先級
     * static_prio = NICE_TO_PRIO(nice) = (nice) + DEFAULT_PRIO = (nice) + (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)
     * 即：static_prio = 100 + nice + 20 
     * nice值為-20~19,是以static_prio值為100~139
     */
	int				static_prio;
    /* normal_prio: 動态優先級 */
	int				normal_prio;
    /* 實時程序優先級 1 ~ 99*/
	unsigned int			rt_priority;
	const struct sched_class	*sched_class;
............

prio

動态優先級

（1）值越小，程序優先級越高

（2）prio值為 -1 ~139

（3）排程器排程采用該優先級排程。該優先級會根據是否為實時程序采用下面的三個優先級來計算
static_prio

靜态優先級

（1）值越小，程序優先級越高

（2）static_prio值為100~139，static_prio = nice + MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2

（3）預設值是 120

（4）使用者空間可以通過nice()或者setpriority對該值進行修改。通過getpriority可以擷取該值。

（5）新建立的程序會繼承父程序的static priority。

normal_prio

動态優先級，

（1）值越小，程序優先級越高

（2）normal_prio值為 -1 ~139

（3）表示基于程序的靜态優先級static_prio和排程政策計算出的優先級。普通程序static_prio = normal_prio

（4）程序fork時, 子程序會繼承父程序的普通優先級

下面代碼即為normal_prio計算方式

https://elixir.bootlin.com/linux/v5.1.5/source/kernel/sched/core.c#L820

/*
 * __normal_prio - return the priority that is based on the static prio
 */
static inline int __normal_prio(struct task_struct *p)
{
	return p->static_prio;
}

/*
 * Calculate the expected normal priority: i.e. priority
 * without taking RT-inheritance into account. Might be
 * boosted by interactivity modifiers. Changes upon fork,
 * setprio syscalls, and whenever the interactivity
 * estimator recalculates.
 */
static inline int normal_prio(struct task_struct *p)
{
	int prio;

	if (task_has_dl_policy(p))
		prio = MAX_DL_PRIO-1;
	else if (task_has_rt_policy(p))
		prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;
	else
		prio = __normal_prio(p);
	return prio;
}

rt_priority

實時優先級

（1）用于表示實時程序優先級

（2）值越大，程序優先級越高

（3）rt_priority值為 0~99，0是普通程序，1～99是實時程序，99的優先級最高
為什麼會有-1這個優先級？

-1 是 DEADLINE類程序來說固定值，采用EDF排程政策，即對應SCHED_DEADLINE這個政策。比RT程序和normal程序的優先級還要高，在規定的期限内，cpu必須要花指定的時間在本程序上。
為什麼表示動态優先級需要兩個值prio和normal_prio？

排程器會考慮的優先級則儲存在prio. 由于在某些情況下核心需要暫時提高程序的優先級, 是以需要用prio表示. 由于這些改變不是持久的, 是以靜态優先級static_prio和普通優先級normal_prio不受影響.

rt_priority數值越大, 實時程序優先級越高, rt_priority 與 prio 如何對應？

在核心代碼裡有時候會這樣調整一個程序的優先級，這裡sched_priority優先級指的是rt_priority，越大優先級越高

struct sched_param param = { .sched_priority = 2 };
	rv = sched_setscheduler(current, SCHED_RR, &param);

其轉化代碼在這塊

prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;

即：prio = 99 - rt_priority

static inline int normal_prio(struct task_struct *p)
{
	int prio;

	if (task_has_dl_policy(p))
		prio = MAX_DL_PRIO-1;
	else if (task_has_rt_policy(p))
		prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority; // 99 - rt_priority
	else
		prio = __normal_prio(p);
	return prio;
}

2.3 各個指令看到優先級

在使用者空間，程序優先級有兩種含義：nice value和scheduling priority。對于普通程序而言，程序優先級就是nice value，從-20（優先級最高）～19（優先級最低），通過修改nice value可以改變普通程序擷取cpu資源的比例。随着實時需求的提出，程序又被賦予了另外一種屬性scheduling priority，而這些程序被稱為實時程序。實時程序的優先級的範圍可以通過sched_get_priority_min和sched_get_priority_max，對于linux而言，實時程序的scheduling priority的範圍是1（優先級最低）～99（優先級最高）。當然，普通程序也有scheduling priority，被設定為0。

ps

ps看到的優先級是越大優先級越高
systrace

越小優先級越高
top

小于99會标為RT，[100~149] --> [-20 ~ 19]
ps -e -o pri,rtprio,cmd

使用者空間優先級

LINUX 程式優先級與排程政策

程序優先級檢視

systrace 中看到的優先級是越小越高，

在ps -lA看到的優先級是越大優先級越高，ps看到0 - 39對應核心優先級中的100 - 139，而40 - 139 對應核心優先級中的RT優先級0 - 99，實時優先級是越大優先級越高

在核心設定實時排程政策 0~99 越大優先級越高

參考：

Linux程序優先級的處理–Linux程序的管理與排程(二十二)

Linux程序和線程的排程與優先級

Linux排程器：程序優先級

LINUX 程序優先級與排程政策

1. 排程政策

2. 核心優先級表示

2.1 概述

2.2 核心優先級表示

2.3 各個指令看到優先級

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