基于優(yōu)先級搶占系統(tǒng)的QNX調(diào)度算法

作為一個硬實時操作系統(tǒng)，QNX是一個基于優(yōu)先級搶占的系統(tǒng)。這也導(dǎo)致其基本調(diào)度算法相對比較簡單。因為不需要像別的通用操作系統(tǒng)考慮一些復(fù)雜的“公平性”，只需要保證“優(yōu)先級最高的線程最優(yōu)先得到 CPU”就可以了。

基本調(diào)度算法

調(diào)度算法，是基于優(yōu)先級的。QNX的線程優(yōu)先級，是一個0-255的數(shù)字，數(shù)字越大優(yōu)先級越高。所以，優(yōu)先級0是內(nèi)核中的idle線程。同時，優(yōu)先級64是一個分界嶺。就是說，優(yōu)先級1 – 63 是非特權(quán)優(yōu)先級，一般用戶都可以用，而64 – 255必須是有root權(quán)限的線程才以設(shè)。這個“優(yōu)先級64”分界線，如果有必要，還可以通過啟動Procnto時傳 –P 來改變。 調(diào)度算法的對像是線程，而線程在QNX上，有大約20個狀態(tài)。（參考 /usr/include/sys/states.h）在這許多狀態(tài)中，跟調(diào)度有關(guān)的，其實只有 STATE_RUNNING和STATE_READY兩個狀態(tài)。STATE_RUNNING是線程當(dāng)前正在使用CPU，而STATE_READY是等著被執(zhí)行（被調(diào)度）的線程。其他狀態(tài)的線程，處于某種“阻塞”狀態(tài)中，調(diào)度算法不需要關(guān)注。 所以在調(diào)度算法看來，整個系統(tǒng)里的線程像這樣：

圖 1 有兩個CPU的系統(tǒng)里的線程 這是一個有兩個CPU的系統(tǒng)，所以可以看到有兩個RUNNING線程；對于 BLOCK THREAD，它們不參于調(diào)度，所以不需要考慮它們的優(yōu)先級。

調(diào)度策略

在QNX上實質(zhì)上只有三種基本調(diào)度策略，“輪詢”（Round Robin），“先進先出”（First in first out）和＂零星調(diào)度”(Sporadic) 算法。雖然形式上還有一個“其他”，但“其他”跟“輪詢”是一樣的。這些調(diào)度策略，在 /usr/include/sched.h 里有定義。(SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_SPORADIC, SCHED_OTHER) 強調(diào)一下，調(diào)度策略只限于在READY隊列里的線程，優(yōu)線級最高的線程有不止一個時，才會用到。如果線程不再 READY，或是有別的更高優(yōu)先級的線程 READY了，那就高優(yōu)先級線程獲取CPU，沒有什么策略可言。 “輪詢調(diào)度”（Round Robin）跟平時生活里排隊的情形差不多，晚到的人排在隊尾，早到的人排在隊首，等到叫號（調(diào)度）的時候，隊首的人會被先叫到 。如下圖所示：

圖 2 論詢調(diào)度示意

首先在CPU 1上運行的線程4，被挪入優(yōu)先級15的隊列末尾

然后重新搜索可執(zhí)行的最高優(yōu)先級線程，這里有優(yōu)先級15隊列上的線程3和4

線程3因為在隊列最前端，它被選擇得到CPU，線程3的狀態(tài)變?yōu)镽UNNING，在CPU1上執(zhí)行

可以預(yù)期，當(dāng)下一次調(diào)度發(fā)生時，線程3會被挪入優(yōu)先級15隊列末尾，而線程4會被調(diào)度執(zhí)行，這樣線程3和4會分別得到CPU1. “先進先出”（First in first out）調(diào)度則剛好相反，后來的人插在隊首，然后在叫號的時候被先叫到?？聪聢D： ?

圖 3 先進先出調(diào)度示意

首先在CPU 1上運行的線程4，被挪入優(yōu)先級15的隊列隊首

然后重新搜索可執(zhí)行的最高優(yōu)先級線程，這里有優(yōu)先級15隊列上的線程4和3

線程4因為在隊列最前端，它被選擇得到CPU，線程4的狀態(tài)變?yōu)镽UNNING，在CPU1上執(zhí)行

可以看到，在這個調(diào)度算法下，如果沒有別的狀態(tài)發(fā)生，事實上線程4就會一直占據(jù)CPU1。 如果在優(yōu)先級15上的線程3和線程4都是FIFO會怎樣？按上面的描述，線程3還是始終無法獲得CPU1，因為線程4每次都會插在3的前面，再調(diào)度就又是4獲得CPU1。除非線層4進入了阻塞狀態(tài)（從而不在READY隊列里了），那么線程3才能獲得CPU。 “零星調(diào)度”（Sporadic）算法比較特殊，它比較適合長時間占用CPU的線程。它的基本設(shè)計思想是給一個線程準(zhǔn)備兩個優(yōu)先級，“前臺”優(yōu)先級比較高，“后臺”優(yōu)先級稍微底一點。如果線程在高優(yōu)先級連續(xù)占用CPU超過一定時間后，線程會被強行降到“后臺”低優(yōu)先級上（這時線程能不能占用CPU取決于系統(tǒng)中有沒有比“后臺”優(yōu)先級高的別的線程了）；然后線程在低優(yōu)先級上經(jīng)過了一段時間后，會重新被調(diào)回高優(yōu)先級。

圖 4 零星調(diào)度示意 上圖是一個零星調(diào)度線程的示意。

開始的時候，線程在比較高的（正常）優(yōu)先級 H 上運行，一直到把預(yù)先分配給零星調(diào)度的時間用完（sched_ss_init_budget）

這時，線程會被自動調(diào)整為低優(yōu)先級L（sched_ss_low_priority）；一旦被調(diào)低，線程也可能運行（如果優(yōu)先級L依然是系統(tǒng)里最高優(yōu)先級的線程），也可能無法運行呆在READY隊列里（系統(tǒng)里有比L更高的優(yōu)先級）

不管線程有沒有執(zhí)行，從最開始運行時間點算起，當(dāng)線程“執(zhí)行補充時間"（sched_ss_repl_period）過了以后，線程的優(yōu)先級被重新提到優(yōu)先級H，并試圖取得CPU來。

“零星調(diào)度”看上去比較“公平”，但是實際在用QNX的項目中，這個調(diào)度算法很少被用戶用到。主要是因為一般來說在QNX上很少有線程能夠“連續(xù)占用CPU”的。而且當(dāng)系統(tǒng)變得復(fù)雜，線程數(shù)成百上千后，這種上下調(diào)優(yōu)先級的做法，很容易出現(xiàn)別的后遺癥。

什么時候會發(fā)生調(diào)度？

上面介紹了QNX支持的幾個調(diào)度算法。那么，什么時候才會發(fā)生調(diào)度呢？ QNX的設(shè)計目標(biāo)是一個硬實時操作系統(tǒng)，所以，保證最高優(yōu)先級的線程在第一時間占據(jù)CPU是很重要的?？紤]到線程的狀態(tài)都是在內(nèi)核中進行變化的（都是因為線程進行了某個內(nèi)核調(diào)用后變化的），所以QNX在每次從內(nèi)核調(diào)用退出時，都會進行一次線程調(diào)度，以保證最高優(yōu)先級的線程可以占據(jù)CPU。 得益于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，QNX的內(nèi)核調(diào)用通常都非常短，或者說，每一個內(nèi)核調(diào)用，都能夠比較確定地知道要花多少時間。而且，因為微內(nèi)核系統(tǒng)的基本就是進程間通信，所以在QNX上，一段程序非常容易進入內(nèi)核并進行線程狀態(tài)切換，很少能有長時間占滿CPU的，在實際系統(tǒng)上測，現(xiàn)實上很少能有線程執(zhí)行完整個時間片的。 舉個例子，哪怕程序里只寫一個 printf("Hello World! "); 可是在libc庫里，最后這個會變成一個IO_WRITE消息，MsgSend() 給控制臺驅(qū)動；這時，在MsgSend()這個內(nèi)核調(diào)用里，會把printf() 的線程置為阻塞狀態(tài)（REPLY BLOCK），同時會把控制臺驅(qū)動的信息接收線程（從RECEIVE BLOCK）改到 READY狀態(tài)，并放入 READY 隊列。當(dāng)退出MsgSend() 內(nèi)核調(diào)用時，線程調(diào)度發(fā)生，通常情況下（如果沒有別的線程READY 的話）控制臺驅(qū)動的信息接收線程被激活，并占據(jù)CPU. 如果用戶寫了一個既不內(nèi)核調(diào)用，也不放棄CPU的線程會怎么樣？那時候，時鐘中斷會發(fā)生，當(dāng)內(nèi)核記時到線程占據(jù)了一整個時間片（QNX上是4ms）后，內(nèi)核會強制當(dāng)前線程進入 READY，并重新調(diào)度。如果同一優(yōu)先級只有這一個線程（這是優(yōu)先級最高線程），那么調(diào)度后，還是這個線程獲取CPU。如果同一優(yōu)先級有別的線程存在，那么根據(jù)調(diào)度算法來決定哪個線程獲得CPU。 另一種常見情況是，由于某些別的原因?qū)е赂邇?yōu)先級線程被激活，比如網(wǎng)卡驅(qū)動中斷導(dǎo)致高優(yōu)先級驅(qū)動線程READY，所設(shè)時鐘到達導(dǎo)致高優(yōu)先級線程從阻塞狀態(tài)返回READY狀態(tài)了，當(dāng)前線程開放互斥鎖之類的線程同步對象，導(dǎo)致別的線程返回READY狀態(tài)了。這些，都會在從內(nèi)核調(diào)用退出時，進行調(diào)度。

中斷與優(yōu)先級

上面提到如果用戶線程長期占有CPU，時鐘中斷會打斷用戶線程。細心的讀者或許會有疑問，那中斷的優(yōu)先級是多少呢？ 答案是在QNX這樣的實時操作系統(tǒng)里，“硬件中斷”永遠高于任何線程優(yōu)先級，哪怕你的線程優(yōu)先級到了255，只要有中斷發(fā)生，都要讓路，CPU會跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，執(zhí)行完了再回歸用戶線程。事實上，能夠快速穩(wěn)定地響應(yīng)中斷處理，是一個實時操作系統(tǒng)的硬指標(biāo)。 我們這里說的是“硬件中斷”，就是說，當(dāng)外部設(shè)備，通過中斷控制器，向CPU發(fā)出中斷請求時，無論當(dāng)時CPU上執(zhí)行的線程優(yōu)先級是什么，都會先跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的中斷處理程序；中斷處理程序會去中斷控制器找到具體是哪一個源發(fā)生了中斷（中斷號），并據(jù)此，跳轉(zhuǎn)到該中斷號的中斷處理程序（通常是硬件驅(qū)動程序 通過 InterruptAttach() 掛接的函數(shù)）。在這個過程中，如果當(dāng)前CPU正在處理另一個中斷，那么這時，會根據(jù)中斷的優(yōu)先級來決定是讓CPU繼續(xù)處理下去（當(dāng)前中斷進入等待）；或者發(fā)生中斷搶占，新中斷的優(yōu)先級比舊中斷高，所以跳轉(zhuǎn)新中斷處理。 當(dāng)然，實際應(yīng)用中，特別是微內(nèi)核環(huán)境下，考慮中斷其實只是中斷設(shè)備給出的一個通知，對這中斷的響應(yīng)并不需要真的在中斷處理中進行，驅(qū)動程序可以選擇在普通線程中處理，QNX上有InterruptAttachEvent() 就是為了這個設(shè)計的。通常這里的“事件”會是一個“脈沖”，也就是說，當(dāng)硬件中斷發(fā)生，內(nèi)核檢查到相應(yīng)中斷綁定了事件。這時，不會跳轉(zhuǎn)到用戶中斷處理程序，而是直接發(fā)出那個脈沖，以激活一個外部（驅(qū)動器中）線程，在這線程中，做設(shè)備中斷所需要的處理。這樣做，雖然稍微增加了一些中斷延遲，但也帶來了不少好處。首先，這個外部線程同普通的用戶線程一樣，所以可以調(diào)用任何庫函數(shù)，而中斷服務(wù)程序因為執(zhí)行環(huán)境的不同，有好多限制。其次，因為是普通用戶線程，就可以用線程調(diào)度的方法規(guī)定其優(yōu)先級（脈沖事件是帶優(yōu)先級的），使不同的設(shè)備中斷處理，跟正常業(yè)務(wù)邏輯更好地一起使用。

多CPU上的線程調(diào)度

現(xiàn)在同步多處理器（SMP）已經(jīng)相當(dāng)普及了。在SMP上，也就是說當(dāng)有多個CPU時，我們的調(diào)度算法有什么變化呢？比如一個有2個CPU的系統(tǒng)，首先肯定，系統(tǒng)上可執(zhí)行線程中的最高優(yōu)先級線程，一定在2個CPU上的某一個上執(zhí)行；那，是不是第二高優(yōu)先級的線程就在另一個CPU上執(zhí)行呢？ 雖然直覺上我們覺得應(yīng)該是這樣的（系統(tǒng)里的第一，第二高優(yōu)先級的線程占據(jù)CPU1和CPU2），但事實上，第二高優(yōu)先級的線程占據(jù)CPU2這件事，并不是必要的。實時搶占系統(tǒng)的要求是最高優(yōu)先級”必須“能夠搶占CPU，但對第二高優(yōu)先級并沒有規(guī)定。拿我們最開始的雙CPU圖再看一眼。

圖 5 有兩個CPU的系統(tǒng)里的線程 線程4以優(yōu)先級15占據(jù)CPU1這是毫無疑問的，但線程5只有優(yōu)先級12，為什么它可以占據(jù)CPU2，而線程3明明也有優(yōu)先級15，但只能排隊等候，這是不是優(yōu)先級倒置了？其實并沒有，如上所述，系統(tǒng)確實保證了“最高優(yōu)先級占據(jù)CPU”的要求，但在CPU2上執(zhí)行什么線程，除了線程本身的優(yōu)先級以外，還有一些別的因素可以權(quán)衡，其中一個在SMP上比較重要的，就是“線程躍遷”。 “線程躍遷”指的是一個線程，一會兒在CPU1上執(zhí)行，一會兒在CPU2上執(zhí)行。在SMP系統(tǒng)上，線程躍遷而導(dǎo)致的緩存清除與重置，會給系統(tǒng)性能帶來很大的影響。所以在線程調(diào)度時，盡量把線程調(diào)度到上次執(zhí)行時用的CPU，是SMP調(diào)度算法里比較重要的一環(huán)。上述例子中，很有可能就是線程3上一次是在CPU1上執(zhí)行的，而線程5雖然優(yōu)先級比較低，很有可能上一次就是在CPU2上執(zhí)行的。 實際應(yīng)用中，因為QNX的易于阻塞的特性，其實大多數(shù)情況下，還是符合“第一，第二高優(yōu)先級線程在CPU上執(zhí)行”的。只是，如果你觀察到了上述情形，也不需要擔(dān)心，設(shè)計上確實有可能不是第二高優(yōu)先級的線程在運行。 另一個多處理器上常見的應(yīng)用，是線程綁定。在正常情況下，把可執(zhí)行線程調(diào)度到哪一個CPU上，是由操作系統(tǒng)完成的。當(dāng)然操作系統(tǒng)會考慮“線程躍遷”等情形來做決定。但是，QNX的用戶也可以把線程綁定到某一個（或者某幾個）CPU上，這樣操作系統(tǒng)在調(diào)度時，會考慮用戶的要求來進行。綁定是通過ThreadCtl() 修改線程的 “RUNMASK” 來進行的，如果你有0,1,2,3 總共4個CPU，那么 0x00000003意味著線程可以在CPU0和CPU1上執(zhí)行，具體例子可以參考ThreadCtl()函數(shù)說明。更簡單的辦法，是通過QNX特有的 on 命令的 –C 參數(shù)來指定，這個指定的 runmask，還會自動繼承。所以你可以簡單的如下執(zhí)行： # on –C 0x00000003 Navigation &
# on –C 0x00000004 Media &
# on –C 0x00000008 System & 這樣來把不同的系統(tǒng)部署到不同的CPU上。 這樣做的好處當(dāng)然是可以減少比如因為系統(tǒng)繁忙而對導(dǎo)航帶來的影響，但不要忘了，另一面，如果所有 Media 線程都處于阻塞狀態(tài)，上述綁定也限制了導(dǎo)航線程使用CPU2的可能，CPU2這時候就會空轉(zhuǎn)（執(zhí)行內(nèi)核 idle 線程）。

自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度算法

前面我們提到過，在討論優(yōu)先級調(diào)度時，只是討論當(dāng)有多個優(yōu)先級相同的線程時，系統(tǒng)怎樣取舍。優(yōu)先級不一樣時，肯定是優(yōu)先級高的贏。但是“高出多少”并不是一個考量因素。兩個線程，一個優(yōu)先級10，另一個優(yōu)先級11的情況，和一個10，另一個40的情況是一樣的。并不會因為10和40差距比較大而有什么不同。 假如我們有紅藍兩個線程，它們的優(yōu)先級一樣，調(diào)度策略是RR，兩個線程都不阻塞，那么在10時間片的區(qū)間里，我們看到的就是這樣一個執(zhí)行結(jié)果： 也就是說，各占了50%的CPU。但只要把藍色線程提高哪怕1，執(zhí)行結(jié)果就成了下面這樣。 這種“非黑即白”的情形，是實時系統(tǒng)的基本要求（高優(yōu)先級搶占CPU）。但是當(dāng)然，現(xiàn)實情況有時候比較復(fù)雜。比如 “HMI渲染” 是需要經(jīng)常占據(jù)CPU的一個任務(wù)（這樣畫面才會順暢），但“用戶輸入”也是需要響應(yīng)比較快的（不然用戶的點擊就會沒有反應(yīng)）。如果“用戶輸入”的優(yōu)先級太高的話，那用戶拖拽時，畫面就會卡頓甚至沒有反應(yīng)？反之，如果”HMI 渲染“的優(yōu)先級太高，那么有用戶輸入時，因為處理程序優(yōu)先級低而造成用戶輸入反應(yīng)慢。通常情況下，需要有經(jīng)驗的系統(tǒng)工程師不斷調(diào)整這兩個任務(wù)的優(yōu)先級（因為優(yōu)先級繼承與傳統(tǒng)，一個任務(wù)可能涉及到多個線程），來達到系統(tǒng)的最優(yōu)。那么，有沒有別的辦法呢?

分區(qū)調(diào)度

傳統(tǒng)上，有一種“分區(qū)調(diào)度”的方法，今天還有一些Hypervisor采取這個辦法。這個想法很簡單，就是把CPU算力隔成幾個分區(qū)，比如70%，30%這樣，然后把不同線程分到這些分區(qū)里，當(dāng)分區(qū)里的CPU預(yù)算被用完以后，那個分區(qū)里所有可執(zhí)行線程都會被”停住“，直到預(yù)算恢復(fù)。 假設(shè)我們把紅線程放入70%紅色分區(qū)，藍線程放入30%藍色分區(qū)，然后以10個時間片為預(yù)算滑動窗口大小，各線程具體就會如下圖占據(jù)CPU：

圖 6 分區(qū)調(diào)度算力全滿示意 在前6個時間片中，藍紅分區(qū)分別占據(jù)CPU，注意在第7個時間片時，雖然藍分區(qū)中線程跟紅分區(qū)中線程有相同的優(yōu)先級，雖然調(diào)度策略是輪回，應(yīng)該輪到藍線程上了，但是因為藍線程已經(jīng)用完了10個時間片里的3個，所以系統(tǒng)沒有執(zhí)行藍線程，而是繼續(xù)讓紅線程占據(jù)CPU，一直到第8第9和第10個時間片結(jié)束。 10個時間片結(jié)束后，窗口向右滑動，這時我們等于又多了一個時間片的預(yù)算，在新的10個時間片中，藍線程只占了兩個(20%)，這樣，新的第11個時間片，就分給了藍分區(qū)。 同理再滑動后，第12個時間片，分給紅線程；一直到17個時間片時，同樣的事情再度發(fā)生，藍分區(qū)線程又用完了10個時間片里的3個，而被迫等待它的預(yù)算重新補充進來。 綜上，在任意一個滑動窗口中，藍色分區(qū)總是只占30%，而紅色分區(qū)卻占了70%。QNX的自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度，跟上面這個是類似的。只是傳統(tǒng)的分區(qū)調(diào)度，有一個明顯的弱點。 想一下這個情況，如果紅線程因為某些情況被阻塞了，會發(fā)生什么呢？

圖 7 分區(qū)調(diào)度算力有富余示意 對，藍線程是唯一可執(zhí)行線程，所以它一直占據(jù)CPU。但是，當(dāng)3個時間片輪轉(zhuǎn)之后，因為藍分區(qū)只有30%的時間預(yù)算，它將不再占據(jù)CPU，而因為紅線程無法執(zhí)行，接下來的7個時間片CPU處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)（執(zhí)行Idle線程）。 一直到時間窗口移動，那時，因為藍分區(qū)只占用了20%的算力，所以它再次占據(jù)CPU…… 所以你也看到了，在傳統(tǒng)的分區(qū)調(diào)度里，當(dāng)一個分區(qū)的算力有富裕的時候，CPU就被浪費了。

自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度

QNX在傳統(tǒng)的分區(qū)調(diào)度上，增加了“自適應(yīng)”的部份。其基本思想是一樣的，給算力加分區(qū)，然后把不同的線程分到分區(qū)里。這樣，當(dāng)所有的線程都忙起來時，你會發(fā)現(xiàn)情況跟圖7是一樣的。但是當(dāng)分區(qū)算力有富裕時，“自適應(yīng)“允許把多出來的算力”借“給需要更多算力的分區(qū)。

圖 8 自適就分區(qū)算力有富裕示意 如上，當(dāng)藍色分區(qū)里的線程消耗完了他自己的分區(qū)預(yù)算后，自適應(yīng)分區(qū)會把有富裕算力的紅色分區(qū)的預(yù)算，借給藍色分區(qū)，藍分區(qū)內(nèi)線程得以繼續(xù)在CPU上運行。注意，在第8個時間片時，紅色分區(qū)需要使用CPU，藍色分區(qū)立即讓路，把CPU讓給紅色分區(qū)。而當(dāng)紅色分區(qū)里的線程被阻塞住以后，藍色分區(qū)線程繼續(xù)使用CPU。 自適應(yīng)分區(qū)似乎確實帶來了好處，但是也帶來了一些潛在的問題，需要在系統(tǒng)設(shè)計的時候做好決定。

自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度與線程優(yōu)先級

你可能會好奇，在分區(qū)調(diào)度的系統(tǒng)里，線程的優(yōu)先級代表了什么？ 答案取決于各個分區(qū)對各自算力的消耗情況。我們假設(shè)藍色分區(qū)里的線程優(yōu)先級比較高，紅色的優(yōu)先級比較低，當(dāng)兩個分區(qū)都有預(yù)算時，內(nèi)核會調(diào)度（所有分區(qū)里的）最高優(yōu)先級線程執(zhí)行。如果系統(tǒng)一直不是很忙，那么不論分區(qū)，永遠是有最高優(yōu)先級的線程得到CPU，這個，跟一個標(biāo)準(zhǔn)的實時操作系統(tǒng)是一致的。 當(dāng)兩個分區(qū)中某一個有預(yù)算時（意味著那個分區(qū)中所有的線程都不在執(zhí)行狀態(tài)），那么多出來的CPU算力會被分給另一個分區(qū)，另一個分區(qū)中的最高優(yōu)先級線程（雖然用完了自己分區(qū)的預(yù)算，但得到了別的分區(qū)的算力），繼續(xù)占據(jù)CPU。這個，也是跟實時操作系統(tǒng)是一致的。 比較特殊的情況是，當(dāng)兩個分區(qū)都沒有預(yù)算，都需要占據(jù)CPU時，這時，藍色線程雖然有較高的優(yōu)先級，但因為分區(qū)算力(30%)被用完，面且沒有別的算力可以“借”，所以它被留在READY隊列中，而比它優(yōu)先級低的紅色線程得以占據(jù)CPU。

自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度富裕算力分配

我們上面的例子只有兩個分區(qū)，考慮這樣一個例子。假設(shè)我們現(xiàn)在有A (70%)，B (20%)，C (10%) 三個分區(qū)，A分區(qū)沒有可執(zhí)行線程，B分區(qū)有個優(yōu)先級為10的線程，C分區(qū)有個優(yōu)先級為20的線程。我們知道A分區(qū)的70%會分配給B和C，但具體是怎么分配的呢？ 如上所述，當(dāng)預(yù)算有富裕時，系統(tǒng)挑選所有分區(qū)中，優(yōu)先級最高的線程執(zhí)行，也就是說C分區(qū)中的線程得到運行。在一個窗口以后，你會發(fā)現(xiàn)A的CPU使用率是0%，B是20%，C則達到了80%。也就是說A所有的富裕算力，都給了C分區(qū)（因為C中的線程優(yōu)先級高）。 也許，在某些時候，這個不是你所期望的。也許C中有一些第三方程序你無法控制，你也不希望他們偷偷提高優(yōu)先級而占用全部富裕算力。QNX提供了SchedCtl()函數(shù)，可以設(shè)SCHED_APS_FREETIME_BY_RATIO 標(biāo)志。設(shè)了這個標(biāo)志后，富裕算力會按照各分區(qū)的預(yù)算比例分配給各分區(qū)。上面的例子下，最后的CPU使用率會變成 A 是0%， B是65%，而C是35%。A分區(qū)富裕的70%算力，按照大約 2: 1的比例，分給了分區(qū)B和C。

“關(guān)鍵線程”與“關(guān)鍵分區(qū)”

在實際使用中，有一些重要任務(wù)，可能需要響應(yīng)，不論其所在的分區(qū)還有沒有算力。比如一個緊急中斷服務(wù)線程，不管分區(qū)是不是還有預(yù)算，都需要響應(yīng)。為了解決這種情況，在QNX的自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度里，除了給分區(qū)分配算力預(yù)算以外，還允許有權(quán)限的用戶為分區(qū)分配“關(guān)鍵響應(yīng)時間”，并把特定線程定義為“關(guān)鍵線程”。 當(dāng)一個“關(guān)鍵線程”需要執(zhí)行時，如果線程所在分區(qū)有預(yù)算，它就直接使用所在分區(qū)預(yù)算就好，如同普通線程；如果所在分區(qū)沒有預(yù)算了，但是別的分區(qū)還有預(yù)算，那么“自適應(yīng)”部份會把別分區(qū)的預(yù)算拿過來，并用于關(guān)鍵線程，這個跟普通的自適應(yīng)分區(qū)調(diào)度一樣。 只有當(dāng)系統(tǒng)里所有分區(qū)都沒有預(yù)算了，而有一個關(guān)鍵線程需要運行，而且線程所在的分區(qū)已經(jīng)預(yù)先分配了關(guān)鍵響應(yīng)預(yù)算，那么線程允許“突破”分區(qū)的預(yù)算，使用“關(guān)鍵響應(yīng)預(yù)算”來執(zhí)行。在QNX里，一個關(guān)鍵線程消耗的時間，從退出RECEIVE_BLOCK開始，到下一次進入RECEIVE_BLOCK。而且，關(guān)鍵線程的屬性是可傳遞的，如果關(guān)鍵線程在執(zhí)行中，給別的線程發(fā)送了消息，那個線程也會變成關(guān)鍵線程。 總的來說，關(guān)鍵線程是用來保證關(guān)鍵任務(wù)不會因為系統(tǒng)太忙而無法取得CPU時間。即使所有的分區(qū)都被占滿了，至少還有“關(guān)鍵響應(yīng)時間”可供關(guān)鍵線程來使用。當(dāng)然，一個系統(tǒng)里不應(yīng)該有太多的關(guān)鍵線程和關(guān)鍵響應(yīng)時間。理論上，假設(shè)所有的線程都是關(guān)鍵線程，那么整個系統(tǒng)其實就變成了一個普通的按優(yōu)先級調(diào)度的實時系統(tǒng)，所有的分區(qū)和預(yù)算都不起作用了。 在最緊急的情況下，關(guān)鍵線程可以使用“關(guān)鍵響應(yīng)時間”來完成它的任務(wù)。如果“關(guān)鍵響應(yīng)時間”還是不夠，會怎么樣？這個是系統(tǒng)設(shè)計問題，在設(shè)計系統(tǒng)的時候，你就應(yīng)該為關(guān)鍵線程分配它能夠完成任務(wù)所需要的最大時間。如果依然發(fā)生“關(guān)鍵響應(yīng)時間”不夠的狀況（被稱為“破產(chǎn)”狀態(tài)），這個就是一個設(shè)計錯誤了。

關(guān)鍵線程的破產(chǎn)

如上所述，關(guān)鍵線程的破產(chǎn)是一個設(shè)計問題?；蛘呔€程完成的任務(wù)并不那么“關(guān)鍵”，或者設(shè)計時給出的預(yù)算不夠。這種情況下需要重新審視整個系統(tǒng)設(shè)計（因為系統(tǒng)在某些情況下無法保證關(guān)鍵任務(wù)在預(yù)定時間內(nèi)完成）。QNX在自適應(yīng)分區(qū)里提供了偵測到關(guān)鍵線程破產(chǎn)時的多種響應(yīng)辦法，可以是強行忽視，或者重啟系統(tǒng)，或者由自適應(yīng)分區(qū)系統(tǒng)自動調(diào)整分區(qū)的預(yù)算。

自適應(yīng)分區(qū)繼承

想像這個場景，文件系統(tǒng)在System分區(qū)里，但另一個Others分區(qū)里的第三方應(yīng)用拼命調(diào)用文件系統(tǒng)，很有可能造成System分區(qū)的預(yù)算耗盡；這樣，首先可能導(dǎo)致別的應(yīng)用無法使用文件系統(tǒng)；更嚴重的，可能是System分區(qū)里別的系統(tǒng)，比如Audio也無法正常工作。這個，顯然是自適應(yīng)分區(qū)系統(tǒng)帶來的安全隱患。 解決辦法，就是跟優(yōu)先級在消息傳遞上可以繼承一樣，分區(qū)也是可以繼承的。文件系統(tǒng)雖然分配在System系統(tǒng)里，但根據(jù)它響應(yīng)的是誰的請求，時間被記到請求服務(wù)的線程分區(qū)里。這樣，如果一個第三方應(yīng)用拼命調(diào)用文件系統(tǒng)，最多能做的，也只是消耗它自己的分區(qū)，當(dāng)他自己分區(qū)的預(yù)算被耗盡時，影響它自己的CPU占用率。

自適應(yīng)分區(qū)的小結(jié)

自適應(yīng)分區(qū)有一些有趣的用法，比如我們常常被要求“系統(tǒng)需要保留30%的算力”。有了自適應(yīng)分區(qū)，就可以建一個有30%預(yù)算的分區(qū)，在里面跑一個 for (;;); 這樣的死循環(huán)。這樣，剩下的系統(tǒng)就只有70%的算力了，可以在這個環(huán)境下檢驗一下系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。 自適應(yīng)分區(qū)的具體操作方法，可以參考QNX的文檔。不同版本的QNX有稍微不同的命令行，但基本設(shè)計是一樣的。這篇文章只是介紹了自適應(yīng)分區(qū)的基本概念，實際使用上，還是有許多細節(jié)需要考慮的，真的要使用，還是需要詳細參考QNX對應(yīng)文檔。 ?

編輯：黃飛

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