实时调度类
目录
一、实时调度类概述
二、实时调度类策略
（一）先进先出（SCHED_FIFO）
（二）时间片轮转（SCHED_RR）
三、实时调度类源码数据结构
（1）task_struct的调度相关成员
（2）实时调度队列rt_rq
（3）调度实体（sched_rt_entity）
一、实时调度类概述
在Linux操作系统中，调度器是至关重要的一个环节，他决定了哪个进程可以获得CPU资源，以及获得多少资源。之前我们曾谈到了CFS完全公平调度器，它能提供良好的资源分配公平性，并通过红黑树优化查找时间复杂度，极大程度的提高了进程切换的效率。然而正是因为他的公平性，无法满足一些对时间延迟要求极低的进程，比如工业化的自动控制，音视频处理，实时监控等。
于是实时调度类应运而生，他和CFS类似，都有着自己的就绪队列。不同的是实时调度类严格遵循抢占式调度，优先级高的进程可以直接进入cpu运行，而优先级低的进程即使已经在cpu运行了也会被挤下来重新回到队列中等待。而CFS则是内核在每一个时钟中断检测正在运行的进程的vruntime和就绪队列的vruntime，如果有更小的则抢占。
实时调度类旨在确保实时任务能够在规定的时间内完成，具有比普通进程更高的优先级，能够抢占普通进程的 CPU 资源，从而保证系统的实时性和确定性。
Linux 支持两种主要的实时调度策略：先进先出（SCHED_FIFO）和时间片轮转（SCHED_RR），它们都属于实时调度类，通过特定的数据结构和算法来实现高效的调度。
二、实时调度类策略
（一）先进先出（SCHED_FIFO）
核心：一直运行，知道自己被阻塞或者更高优先级抢占
基本原理：当一个进程被设置为
SCHED_FIFO调度策略时，它会根据实时优先级（rt_priority，范围是 0 - 99，数值越大优先级越高）被放入实时调度队列中。只要该进程处于可运行状态，并且其优先级高于当前正在运行的进程（无论是实时进程还是普通进程），它就能立即抢占 CPU 资源开始运行。而且，一旦这个SCHED_FIFO进程获得 CPU，它会一直运行下去，直到主动让出 CPU（例如，调用pthread_yield()函数）、等待某个资源（如 I/O 操作）或者被更高优先级的实时进程抢占。示例：假设有两个
SCHED_FIFO进程，进程 A 的实时优先级为 50，进程 B 的实时优先级为 30。进程 A 先被调度运行，此时如果进程 B 变为可运行状态，由于进程 A 的优先级更高，进程 B 会一直等待，直到进程 A 主动让出 CPU 或者被更高优先级的进程抢占。优点：实现简单，能够保证高优先级的实时任务得到快速执行，适用于对执行顺序有严格要求，且执行时间相对较短的实时任务。
缺点：如果一个高优先级的
SCHED_FIFO进程长时间占用 CPU 且不主动让出，可能会导致其他实时进程甚至普通进程长时间得不到执行，出现 “饥饿” 现象。
（二）时间片轮转（SCHED_RR）
核心：基于时间片轮转，同一优先级的公平分配cpu，高优先级的抢占执行
基本原理：
SCHED_RR与SCHED_FIFO类似，也是根据实时优先级来决定进程的调度顺序。不同之处在于，SCHED_RR为每个可运行的实时进程分配一个时间片（timeslice）。当一个SCHED_RR进程获得 CPU 后，它最多运行一个时间片的时长。当时间片耗尽时，如果还有其他相同优先级的SCHED_RR进程在等待，系统会按照轮转的方式将 CPU 分配给下一个同优先级的SCHED_RR进程。如果当前进程的优先级高于其他可运行进程，即使时间片耗尽，它依然可以继续运行。示例：假设有三个
SCHED_RR进程，进程 C、D、E 的实时优先级均为 40，系统为它们分配的时间片为 10ms。进程 C 先获得 CPU 运行，10ms 后，即使它还未完成任务，只要进程 D 和 E 处于可运行状态，CPU 就会分配给进程 D，然后是进程 E，如此循环。如果在进程 C 运行过程中，出现了一个实时优先级为 60 的进程 F，那么进程 F 会立即抢占 CPU，当进程 F 运行结束或者主动让出 CPU 后，进程 C 会从上次中断的地方继续运行，且剩余的时间片依然有效。优点：避免了同优先级实时进程中某个进程长期占用 CPU 的情况，保证了同优先级实时进程之间的公平性，适用于多个实时任务需要轮流执行，且对响应时间有严格要求的场景。
缺点：相比于
SCHED_FIFO，由于存在时间片的管理和切换，会带来一定的系统开销。
三、实时调度类源码数据结构
（1）task_struct的调度相关成员
在 Linux 内核中，task_struct是描述进程的核心数据结构，对于实时调度类，其中包含了多个与之相关的关键成员：
policy：用于表示进程的调度策略，当值为SCHED_FIFO或SCHED_RR时，表明该进程属于实时调度类。rt_priority：记录实时进程的优先级，范围是 0 - 99，数值越大优先级越高，是实时调度决策的重要依据。sched_class：指向该进程所属的调度类，对于实时进程，它指向实时调度类（rt_sched_class），通过这个指针，调度器可以调用实时调度类的相关函数来处理该进程的调度操作。
（2）实时调度队列rt_rq
之前我们说每一个cpu都有一个运行队列，而一个运行队列分为三种调度就绪队列，上一篇文章中谈到了CFS完全公平调度队列（红黑树），而在实时调度队列中，他是一个优先级队列的数组。
struct rt_rq
{struct plist_head active; // 活跃进程列表，按照优先级从高到低排列unsigned long rt_nr_running; // 实时可运行进程的数量struct sched_rt_entity *curr; // 当前正在运行的实时进程实体// 其他与实时调度相关的成员，如调度统计信息等
};
active：是一个优先级数组（基于plist，一种高效的优先级队列实现），实时进程根据其优先级被插入到相应的位置。高优先级的进程会排在前面，调度器从这个队列中选择优先级最高的可运行进程来调度执行。rt_nr_running：记录当前实时调度队列中可运行的实时进程数量，方便调度器快速了解实时进程的状态。curr：指向当前正在该 CPU 上运行的实时进程实体，通过这个指针，调度器可以获取进程的相关信息，如优先级变化等，并进行相应的调度决策。
（3）调度实体（sched_rt_entity）
调度实体sched_rt_entity是task_struct中的一个成员，他用于描述实时进程在调度中的相关信息，包含了进程的优先级、运行时间等数据。
struct sched_rt_entity
{struct sched_entity se; // 继承自通用调度实体，包含一些通用的调度信息unsigned int rt_priority; // 实时优先级// 其他与实时调度相关的统计信息，如运行时间等
};调度器将一个pcb插入调度就绪队列的 本质是插入这个调度实体，然后通过进程pcb成员的相对位置不变，利用强制类型转换才得到真正的pcb。