在操作系統(tǒng)中，線程優(yōu)先級決定了線程在 CPU 調(diào)度時(shí)的重要性。較高優(yōu)先級的線程會在競爭 CPU 資源時(shí)被更頻繁地調(diào)度，以保證其及時(shí)響應(yīng)。

一、背景

在Linux中，線程是一種輕量級的執(zhí)行單元，可以在進(jìn)程內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行。線程可以分為普通線程和實(shí)時(shí)線程，它們之間的區(qū)別在于其調(diào)度和優(yōu)先級設(shè)置。

SCHED_OTHER，普通的調(diào)度（非實(shí)時(shí)線程），應(yīng)用層設(shè)置優(yōu)先級0，調(diào)度器總會給此類線程分配一定的CPU資源，只不過是被分配到的頻次和時(shí)間片長度較少。每1s中實(shí)時(shí)線程和普通線程的時(shí)間比例是95 ：5。

普通線程沒有固定的響應(yīng)時(shí)間要求，它們的優(yōu)先級由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

• Linux使用CFS調(diào)度器來管理普通線程。
• CFS調(diào)度器采用一種稱為紅黑樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來維護(hù)線程的優(yōu)先級。每個(gè)線程都有一個(gè)vruntime值，它表示線程在運(yùn)行隊(duì)列中消耗的虛擬時(shí)間。
• CFS調(diào)度器會根據(jù)線程的vruntime值來確定運(yùn)行的順序。優(yōu)先級較高的線程vruntime值較小，因此能夠更早地獲得CPU的時(shí)間片。
• 適用場景：實(shí)時(shí)性要求不高，但要求必須能被執(zhí)行的線程。
• SCHED_FIFO，搶占式調(diào)度（實(shí)時(shí)線程），實(shí)時(shí)先行，應(yīng)用層設(shè)置優(yōu)先級1-99，同一優(yōu)先級的多個(gè)線程中，一旦某個(gè)搶占式線程獲取CPU，除非被更高優(yōu)先級線程搶占（比如在非實(shí)時(shí)線程中創(chuàng)建一個(gè)更高優(yōu)先級的實(shí)時(shí)線程），或該線程主動(dòng)讓出CPU資源，否則該線程將會一直占用CPU（但總會分配一點(diǎn)資源給SCHED_OTHER非實(shí)時(shí)線程）。
• 適用場景：實(shí)時(shí)性要求高，不希望被頻繁打斷的任務(wù)。
• SCHED_RR，輪詢式調(diào)度（實(shí)時(shí)線程），實(shí)時(shí)循環(huán)，設(shè)置優(yōu)先級1-99，以循環(huán)方式運(yùn)行，每個(gè)線程都有一個(gè)時(shí)間片來執(zhí)行任務(wù)，時(shí)間片耗盡后，該線程將被放入隊(duì)列的末尾，而較低優(yōu)先級的線程有機(jī)會執(zhí)行。
• 適用場景：實(shí)時(shí)性要求高，允許被頻繁打斷的任務(wù)。

在Linux中，可以使用sched_setscheduler函數(shù)。這個(gè)函數(shù)允許我們選擇普通線程或?qū)崟r(shí)線程。對于普通線程，可以使用nice函數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級。對于實(shí)時(shí)線程，可以使用sched_setscheduler函數(shù)來設(shè)置其類型和優(yōu)先級。

關(guān)于優(yōu)先級高低和數(shù)值大小的關(guān)系，在應(yīng)用層和內(nèi)核中二者是相反的。

設(shè)置線程的優(yōu)先級需要謹(jǐn)慎，因?yàn)檫^高的優(yōu)先級可能會導(dǎo)致系統(tǒng)資源的過度占用，從而影響其他線程和進(jìn)程的正常運(yùn)行。另外，需要注意的是，只有具有足夠權(quán)限的用戶才能設(shè)置較高的實(shí)時(shí)線程優(yōu)先級。

總結(jié)起來，Linux中的線程分為普通線程和實(shí)時(shí)線程。普通線程的優(yōu)先級由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，而實(shí)時(shí)線程的優(yōu)先級由用戶顯式設(shè)置。通過合理地設(shè)置線程的優(yōu)先級，可以提高系統(tǒng)的性能和響應(yīng)時(shí)間。然而，設(shè)置線程的優(yōu)先級需要慎重考慮，以避免影響其他線程和進(jìn)程的正常運(yùn)行。

二、調(diào)整普通線程的優(yōu)先級

通過系統(tǒng)命令

在 Linux 系統(tǒng)中，普通線程（非實(shí)時(shí)線程）的優(yōu)先級可以通過 nice 和 renice 命令來進(jìn)行設(shè)置。這些命令允許用戶在命令行中調(diào)整線程的優(yōu)先級，而無需特權(quán)。

nice命令：nice 命令用于啟動(dòng)新的進(jìn)程并設(shè)置其優(yōu)先級。它在運(yùn)行指定命令時(shí)按照給定的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。較低的優(yōu)先級對應(yīng)較高的 nice 值，這意味著 nice 值越高，優(yōu)先級越低。

命令的基本語法如下：

nice -n <priority> <command>

其中，-n 后面跟著要設(shè)置的優(yōu)先級值（取值范圍一般是-20到19），然后是要執(zhí)行的命令。

例如，要以較低的優(yōu)先級（較高的 nice 值）運(yùn)行一個(gè)命令，可以使用如下命令：

nice -n 10 <command>

renice命令：renice 命令用于修改已經(jīng)運(yùn)行的進(jìn)程的優(yōu)先級。這使得用戶可以在進(jìn)程運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整其優(yōu)先級，而無需停止和重新啟動(dòng)它。命令的基本語法如下：

renice <priority> -p <PID>

其中，<priority> 是要設(shè)置的優(yōu)先級值，<PID> 是要修改優(yōu)先級的進(jìn)程的進(jìn)程 ID。

例如，要將進(jìn)程的優(yōu)先級調(diào)整為較高，可以使用如下命令：

renice -5 -p 12345

其中 12345 是目標(biāo)進(jìn)程的進(jìn)程 ID。

通過 nice 和 renice 命令，用戶可以在 Linux 系統(tǒng)中方便地設(shè)置普通線程的優(yōu)先級，以滿足對執(zhí)行順序的特定要求。這種方式雖然不能達(dá)到實(shí)時(shí)線程調(diào)度的級別，但對于一般的任務(wù)調(diào)度已經(jīng)足夠有效了。

通過Linux C代碼

nice 函數(shù)用于調(diào)整進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級，允許進(jìn)程降低自身的優(yōu)先級，從而降低對系統(tǒng)資源的競爭，也可以提高自身優(yōu)先級來更快地響應(yīng)。

在Linux系統(tǒng)中，nice 函數(shù)的作用是通過改變進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級值，來影響進(jìn)程在CPU上的調(diào)度順序。

下面是nice函數(shù)的原型：

#include <unistd.h>

int nice(int inc);

參數(shù) inc 是一個(gè)整數(shù)，表示要增加或減少的進(jìn)程優(yōu)先級。這個(gè)值的范圍通常是 -20 到 19，其中 -20 表示最高優(yōu)先級，而 19 表示最低優(yōu)先級。

nice 函數(shù)的返回值是新的進(jìn)程優(yōu)先級。如果調(diào)用成功，返回值通常是 0 到 39 之間的數(shù)，其中 0 表示最高優(yōu)先級，而 39 表示最低優(yōu)先級。如果調(diào)用失敗，返回值為 -1，并設(shè)置全局變量 errno 以指示錯(cuò)誤原因。

以下是一些需要注意的事項(xiàng)：

• 只有具有 CAP_SYS_NICE 權(quán)限（Linux內(nèi)核中的一種權(quán)限，用于控制進(jìn)程對于設(shè)置任意nice值的能力）或者以 root 用戶身份運(yùn)行的進(jìn)程才能提高進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級。通常，普通用戶只能降低自己進(jìn)程的優(yōu)先級。
• nice 函數(shù)的參數(shù) inc 只是相對調(diào)整，而不是設(shè)定一個(gè)絕對的優(yōu)先級值。只能提高或降低一定的優(yōu)先級，而不能直接將進(jìn)程的優(yōu)先級調(diào)整到一個(gè)特定的值。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

int main() {
    // 獲取當(dāng)前進(jìn)程的優(yōu)先級
    int currentPriority = nice(0);
    if (currentPriority == -1) {
        perror("Failed to get current process priority");
        return 1;
    }
    printf("Current process priority: %d\n", currentPriority);

    // 增加進(jìn)程的優(yōu)先級
    int newPriority = nice(-5);
    if (newPriority == -1) {
        perror("Failed to increase process priority");
        return 1;
    }
    printf("Increased process priority to: %d\n", newPriority);

    return 0;
}

在 Linux 系統(tǒng)中，除了 nice 函數(shù)之外，還有一個(gè)名為 setpriority 的系統(tǒng)調(diào)用可用于設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級。setpriority 函數(shù)提供了更靈活的方式來設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先級，它允許指定進(jìn)程的進(jìn)程組ID和用戶ID，而不僅僅是當(dāng)前進(jìn)程。

下面是 setpriority 函數(shù)的原型：

#include <sys/resource.h>

int setpriority(int which, id_t who, int priority);

• which 參數(shù)指定了誰的優(yōu)先級要被改變。它可以是 PRIO_PROCESS（表示改變指定進(jìn)程的優(yōu)先級）、PRIO_PGRP（表示改變指定進(jìn)程組的所有進(jìn)程的優(yōu)先級）或者 PRIO_USER（表示改變指定用戶的所有進(jìn)程的優(yōu)先級）。
• who 參數(shù)是進(jìn)程、進(jìn)程組或用戶的 ID，用于指定要進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)整的目標(biāo)。
• priority 參數(shù)是新的進(jìn)程優(yōu)先級。其取值范圍與 nice 函數(shù)相同，通常為 -20 到 19。

下面是 setpriority 函數(shù)的一個(gè)簡單示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/resource.h>
#include <unistd.h>
#include <errno>

int main() {
    // 設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的優(yōu)先級
    if (setpriority(PRIO_PROCESS, 0, 10) == -1) {
        perror("Failed to set process priority");
        return 1;
    }
    printf("Process priority set to 10\n");
    return 0;
}

在這個(gè)示例中，setpriority 函數(shù)被用來將當(dāng)前進(jìn)程的優(yōu)先級設(shè)置為 10。這將影響當(dāng)前進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級。setpriority 函數(shù)的使用可以讓我們更加靈活地控制進(jìn)程的調(diào)度優(yōu)先級，可以針對不同的進(jìn)程組或用戶進(jìn)行設(shè)置，提供了比 nice 函數(shù)更細(xì)粒度的控制能力。

三、調(diào)整實(shí)時(shí)線程的優(yōu)先級

通過系統(tǒng)命令

chrt 是一個(gè)用于改變進(jìn)程調(diào)度策略或優(yōu)先級的命令行工具。它在 Linux 系統(tǒng)中提供了對實(shí)時(shí)進(jìn)程調(diào)度的控制。

chrt 命令的基本語法如下：

chrt [options] priority command

chrt 命令的常用選項(xiàng)包括：

• -p, --pid：指定要操作的進(jìn)程ID。
• -f, --fifo：設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度策略為 FIFO（先進(jìn)先出）。
• -r, --rr：設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度策略為 Round Robin（循環(huán)調(diào)度）。
• -o, --other：設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度策略為其他進(jìn)程調(diào)度策略。
• -m, --max：設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先級為最高優(yōu)先級。
• -e, --min：設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先級為最低優(yōu)先級。
• -p, --priority priority：設(shè)置進(jìn)程的靜態(tài)優(yōu)先級。

• 以下是幾個(gè)使用示例：

將進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為 FIFO（先進(jìn)先出）：

chrt -f -p 90 <command>

將進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為 Round Robin（循環(huán)調(diào)度）：

chrt -r -p 80 <command>

將進(jìn)程的調(diào)度策略設(shè)置為其他調(diào)度策略（如 SCHED_BATCH）：

chrt -o -p 50 <command>

將進(jìn)程的優(yōu)先級設(shè)置為最高優(yōu)先級：

chrt -m -p 99 <command>

將進(jìn)程的優(yōu)先級設(shè)置為最低優(yōu)先級：

chrt -e -p 0 <command>

在上述示例中，<command> 是要運(yùn)行的命令或進(jìn)程。通過使用不同的選項(xiàng)和參數(shù)，chrt 命令可以改變進(jìn)程的調(diào)度策略和優(yōu)先級，從而影響進(jìn)程在系統(tǒng)中的調(diào)度行為。

請注意，使用 chrt 命令可能需要 root 權(quán)限或 CAP_SYS_NICE 權(quán)限。

通過Linux C代碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>

#define THREAD_PRIORITY 80 // 設(shè)置實(shí)時(shí)線程的優(yōu)先級

void* thread_function(void* arg) {
    // 實(shí)時(shí)線程的具體操作
    // ...
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_attr_t attr;
    struct sched_param sched_param;

    // 初始化線程屬性
    pthread_attr_init(&attr);

    // 設(shè)置線程為實(shí)時(shí)線程
    pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

    // 設(shè)置線程優(yōu)先級
    sched_param.sched_priority = THREAD_PRIORITY;
    pthread_attr_setschedparam(&attr, &sched_param);

    // 創(chuàng)建實(shí)時(shí)線程
    int result = pthread_create(&tid, &attr, thread_function, NULL);
    if (result != 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to create thread\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 等待實(shí)時(shí)線程結(jié)束
    pthread_join(tid, NULL);

    // 清理資源
    pthread_attr_destroy(&attr);

    return 0;
}

pthread_attr_setinheritsched函數(shù)用于設(shè)置線程屬性的繼承調(diào)度策略。具體來說，它可以控制新創(chuàng)建線程是否繼承調(diào)用線程的調(diào)度策略。函數(shù)原型如下：

#include <pthread.h>

int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr, int inherit);

attr是一個(gè)指向線程屬性對象的指針，inherit參數(shù)用于設(shè)置繼承調(diào)度策略。inherit可以是以下兩個(gè)常量之一：

• PTHREAD_INHERIT_SCHED：新線程將繼承創(chuàng)建它的線程的調(diào)度策略。
• PTHREAD_EXPLICIT_SCHED：使用顯式調(diào)度策略，即通過 pthread_attr_setschedpolicy 設(shè)置特定的調(diào)度策略。

默認(rèn)情況下，線程屬性的繼承調(diào)度策略是 PTHREAD_INHERIT_SCHED，意味著新創(chuàng)建的線程將繼承調(diào)用線程的調(diào)度策略。

下面是一個(gè)示例代碼，演示如何使用 pthread_attr_setinheritsched 函數(shù)來設(shè)置線程屬性的繼承調(diào)度策略：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int main() {
    pthread_attr_t attr;
    int ret;
    int inherit;

    // 初始化線程屬性
    pthread_attr_init(&attr);

    // 獲取當(dāng)前線程屬性的繼承調(diào)度策略
    ret = pthread_attr_getinheritsched(&attr, &inherit);
    if (ret == 0) {
        if (inherit == PTHREAD_INHERIT_SCHED) {
            printf("繼承調(diào)度策略：PTHREAD_INHERIT_SCHED\n");
        } else if (inherit == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) {
            printf("繼承調(diào)度策略：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED\n");
        } else {
            printf("未知的繼承調(diào)度策略\n");
        }
    } else {
        printf("獲取線程屬性的繼承調(diào)度策略失敗\n");
    }

    // 設(shè)置線程屬性的繼承調(diào)度策略
    inherit = PTHREAD_EXPLICIT_SCHED;
    ret = pthread_attr_setinheritsched(&attr, inherit);
    if (ret == 0) {
        printf("成功設(shè)置線程屬性的繼承調(diào)度策略\n");
    } else {
        printf("設(shè)置線程屬性的繼承調(diào)度策略失敗\n");
    }

    // 銷毀線程屬性
    pthread_attr_destroy(&attr);

    return 0;
}

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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