Linux：线程优先级设置

?? 在操作系统中，线程优先级决定了线程在 CPU 调度时的重要性。较高优先级的线程会在竞争 CPU 资源时被更频繁地调度，以保证其及时响应。

一、背景

??在Linux中，线程是一种轻量级的执行单元，可以在进程内独立运行。线程可以分为普通线程和实时线程，它们之间的区别在于其调度和优先级设置。

??SCHED_OTHER，普通的调度（非实时线程），应用层设置优先级0，调度器总会给此类线程分配一定的CPU资源，只不过是被分配到的频次和时间片长度较少。每1s中实时线程和普通线程的时间比例是95 ：5。

??普通线程没有固定的响应时间要求，它们的优先级由系统动态调整。Linux使用CFS调度器来管理普通线程。CFS调度器采用一种称为红黑树的数据结构来维护线程的优先级。每个线程都有一个vruntime值，它表示线程在运行队列中消耗的虚拟时间。CFS调度器会根据线程的vruntime值来确定运行的顺序。优先级较高的线程vruntime值较小，因此能够更早地获得CPU的时间片。

??适用场景：实时性要求不高，但要求必须能被执行的线程。

??SCHED_FIFO，抢占式调度（实时线程），实时先行，应用层设置优先级1-99，同一优先级的多个线程中，一旦某个抢占式线程获取CPU，除非被更高优先级线程抢占（比如在非实时线程中创建一个更高优先级的实时线程），或该线程主动让出CPU资源，否则该线程将会一直占用CPU（但总会分配一点资源给SCHED_OTHER非实时线程）。

??适用场景：实时性要求高，不希望被频繁打断的任务。

??SCHED_RR，轮询式调度（实时线程），实时循环，设置优先级1-99，以循环方式运行，每个线程都有一个时间片来执行任务，时间片耗尽后，该线程将被放入队列的末尾，而较低优先级的线程有机会执行。

??适用场景：实时性要求高，允许被频繁打断的任务。

??在Linux中，可以使用sched_setscheduler函数。这个函数允许我们选择普通线程或实时线程。对于普通线程，可以使用nice函数来动态调整优先级。对于实时线程，可以使用sched_setscheduler函数来设置其类型和优先级。

??关于优先级高低和数值大小的关系，在应用层和内核中二者是相反的。

??设置线程的优先级需要谨慎，因为过高的优先级可能会导致系统资源的过度占用，从而影响其他线程和进程的正常运行。另外，需要注意的是，只有具有足够权限的用户才能设置较高的实时线程优先级。

??总结起来，Linux中的线程分为普通线程和实时线程。普通线程的优先级由系统动态调整，而实时线程的优先级由用户显式设置。通过合理地设置线程的优先级，可以提高系统的性能和响应时间。然而，设置线程的优先级需要慎重考虑，以避免影响其他线程和进程的正常运行。

二、调整普通线程的优先级

通过系统命令

??在 Linux 系统中，普通线程（非实时线程）的优先级可以通过 nice 和 renice 命令来进行设置。这些命令允许用户在命令行中调整线程的优先级，而无需特权。

1. nice命令：nice 命令用于启动新的进程并设置其优先级。它在运行指定命令时按照给定的优先级进行调度。较低的优先级对应较高的 nice 值，这意味着 nice 值越高，优先级越低。命令的基本语法如下：

   nice -n <priority> <command>
   

   其中，-n 后面跟着要设置的优先级值（取值范围一般是-20到19），然后是要执行的命令。

   例如，要以较低的优先级（较高的 nice 值）运行一个命令，可以使用如下命令：

   nice -n 10 <command>
   

2. renice命令：renice 命令用于修改已经运行的进程的优先级。这使得用户可以在进程运行时动态地调整其优先级，而无需停止和重新启动它。命令的基本语法如下：

   renice <priority> -p <PID>
   

   其中，<priority> 是要设置的优先级值，<PID> 是要修改优先级的进程的进程 ID。

   例如，要将进程的优先级调整为较高，可以使用如下命令：

   renice -5 -p 12345
   

   其中 12345 是目标进程的进程 ID。

??通过 nice 和 renice 命令，用户可以在 Linux 系统中方便地设置普通线程的优先级，以满足对执行顺序的特定要求。这种方式虽然不能达到实时线程调度的级别，但对于一般的任务调度已经足够有效了。

通过Linux C代码

??nice 函数用于调整进程的调度优先级，允许进程降低自身的优先级，从而降低对系统资源的竞争，也可以提高自身优先级来更快地响应。在Linux系统中，nice 函数的作用是通过改变进程的静态优先级值，来影响进程在CPU上的调度顺序。

??下面是nice函数的原型：

#include <unistd.h>

int nice(int inc);

• 参数 inc 是一个整数，表示要增加或减少的进程优先级。这个值的范围通常是 -20 到 19，其中 -20 表示最高优先级，而 19 表示最低优先级。
• nice 函数的返回值是新的进程优先级。如果调用成功，返回值通常是 0 到 39 之间的数，其中 0 表示最高优先级，而 39 表示最低优先级。如果调用失败，返回值为 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误原因。
  
  以下是一些需要注意的事项：

1. 只有具有 CAP_SYS_NICE 权限（Linux内核中的一种权限，用于控制进程对于设置任意nice值的能力）或者以 root 用户身份运行的进程才能提高进程的调度优先级。通常，普通用户只能降低自己进程的优先级。
2. nice 函数的参数 inc 只是相对调整，而不是设定一个绝对的优先级值。只能提高或降低一定的优先级，而不能直接将进程的优先级调整到一个特定的值。

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

int main() {
    // 获取当前进程的优先级
    int currentPriority = nice(0);
    if (currentPriority == -1) {
        perror("Failed to get current process priority");
        return 1;
    }
    printf("Current process priority: %d\n", currentPriority);

    // 增加进程的优先级
    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 系统中，除了 nice 函数之外，还有一个名为 setpriority 的系统调用可用于设置进程的调度优先级。setpriority 函数提供了更灵活的方式来设置进程的优先级，它允许指定进程的进程组ID和用户ID，而不仅仅是当前进程。

下面是 setpriority 函数的原型：

#include <sys/resource.h>

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

• which 参数指定了谁的优先级要被改变。它可以是 PRIO_PROCESS（表示改变指定进程的优先级）、PRIO_PGRP（表示改变指定进程组的所有进程的优先级）或者 PRIO_USER（表示改变指定用户的所有进程的优先级）。
• who 参数是进程、进程组或用户的 ID，用于指定要进行优先级调整的目标。
• priority 参数是新的进程优先级。其取值范围与 nice 函数相同，通常为 -20 到 19。

下面是 setpriority 函数的一个简单示例：

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

int main() {
    // 设置当前进程的优先级
    if (setpriority(PRIO_PROCESS, 0, 10) == -1) {
        perror("Failed to set process priority");
        return 1;
    }
    printf("Process priority set to 10\n");
    return 0;
}

??在这个示例中，setpriority 函数被用来将当前进程的优先级设置为 10。这将影响当前进程的调度优先级。setpriority 函数的使用可以让我们更加灵活地控制进程的调度优先级，可以针对不同的进程组或用户进行设置，提供了比 nice 函数更细粒度的控制能力。

三、调整实时线程的优先级

通过系统命令

??chrt 是一个用于改变进程调度策略或优先级的命令行工具。它在 Linux 系统中提供了对实时进程调度的控制。

??chrt 命令的基本语法如下：

chrt [options] priority command

chrt 命令的常用选项包括：

• -p, --pid：指定要操作的进程ID。

• -f, --fifo：设置进程的调度策略为 FIFO（先进先出）。

• -r, --rr：设置进程的调度策略为 Round Robin（循环调度）。

• -o, --other：设置进程的调度策略为其他进程调度策略。

• -m, --max：设置进程的优先级为最高优先级。

• -e, --min：设置进程的优先级为最低优先级。

• -p, --priority priority：设置进程的静态优先级。
  
  以下是几个使用示例：

• 将进程的调度策略设置为 FIFO（先进先出）：

  chrt -f -p 90 <command>
  

• 将进程的调度策略设置为 Round Robin（循环调度）：

  chrt -r -p 80 <command>
  

• 将进程的调度策略设置为其他调度策略（如 SCHED_BATCH）：

  chrt -o -p 50 <command>
  

• 将进程的优先级设置为最高优先级：

  chrt -m -p 99 <command>
  

• 将进程的优先级设置为最低优先级：

  chrt -e -p 0 <command>
  

??在上述示例中，<command> 是要运行的命令或进程。通过使用不同的选项和参数，chrt 命令可以改变进程的调度策略和优先级，从而影响进程在系统中的调度行为。请注意，使用 chrt 命令可能需要 root 权限或 CAP_SYS_NICE 权限。

通过Linux C代码

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

#define THREAD_PRIORITY 80 // 设置实时线程的优先级

void* thread_function(void* arg) {
    // 实时线程的具体操作
    // ...
    return NULL;
}

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

    // 初始化线程属性
    pthread_attr_init(&attr);

    // 设置线程为实时线程
    pthread_attr_setinheritsched(&attr, PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

    // 设置线程优先级
    pthread_attr_setschedparam(&attr, &sched_param);
    sched_param.sched_priority = THREAD_PRIORITY;

    // 创建实时线程
    int result = pthread_create(&tid, &attr, thread_function, NULL);
    if (result != 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to create thread\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 等待实时线程结束
    pthread_join(tid, NULL);

    // 清理资源
    pthread_attr_destroy(&attr);

    return 0;
}

??pthread_attr_setinheritsched函数用于设置线程属性的继承调度策略。具体来说，它可以控制新创建线程是否继承调用线程的调度策略。函数原型如下：

#include <pthread.h>

int pthread_attr_setinheritsched(pthread_attr_t *attr, int inherit);

attr是一个指向线程属性对象的指针，inherit参数用于设置继承调度策略。inherit可以是以下两个常量之一：

• PTHREAD_INHERIT_SCHED：新线程将继承创建它的线程的调度策略。
• PTHREAD_EXPLICIT_SCHED：使用显式调度策略，即通过 pthread_attr_setschedpolicy 设置特定的调度策略。

??默认情况下，线程属性的继承调度策略是 PTHREAD_INHERIT_SCHED，意味着新创建的线程将继承调用线程的调度策略。

下面是一个示例代码，演示如何使用 pthread_attr_setinheritsched 函数来设置线程属性的继承调度策略：

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

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

    // 初始化线程属性
    pthread_attr_init(&attr);

    // 获取当前线程属性的继承调度策略
    ret = pthread_attr_getinheritsched(&attr, &inherit);
    if (ret == 0) {
        if (inherit == PTHREAD_INHERIT_SCHED) {
            printf("继承调度策略：PTHREAD_INHERIT_SCHED\n");
        } else if (inherit == PTHREAD_EXPLICIT_SCHED) {
            printf("继承调度策略：PTHREAD_EXPLICIT_SCHED\n");
        } else {
            printf("未知的继承调度策略\n");
        }
    } else {
        printf("获取线程属性的继承调度策略失败\n");
    }

    // 设置线程属性的继承调度策略
    inherit = PTHREAD_EXPLICIT_SCHED;
    ret = pthread_attr_setinheritsched(&attr, inherit);
    if (ret == 0) {
        printf("成功设置线程属性的继承调度策略\n");
    } else {
        printf("设置线程属性的继承调度策略失败\n");
    }

    // 销毁线程属性
    pthread_attr_destroy(&attr);

    return 0;
}

四、参考资料（建议一定要阅读）

Linux进程/线程的调度机制介绍：详细解析Linux系统中进程/线程的调度优先级规则

Android 查看线程优先级 android线程栈默认大小

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