實時系統(tǒng)中的線程調(diào)度

§1B

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第一部分實時系統(tǒng)調(diào)度算法的分類............................................2

第二部分固定優(yōu)先級調(diào)度算法................................................4

第三部分動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法................................................7

第四部分調(diào)度策略和任務(wù)調(diào)度...............................................10

第五部分調(diào)度延遲的可預測性...............................................12

第六部分實時操作系統(tǒng)的調(diào)度機制...........................................14

第七部分線程調(diào)度與系統(tǒng)性能的關(guān)系.........................................17

第八部分實時系統(tǒng)調(diào)度中優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級上限............................21

第一部分實時系統(tǒng)調(diào)度算法的分類

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

實時系統(tǒng)調(diào)度算法的分類

主題名稱：固定優(yōu)先級調(diào)度1.每個線程分配一個固定的優(yōu)先級。

算法2.高優(yōu)先級線程始終優(yōu)先于低優(yōu)先級線程執(zhí)行。

3.優(yōu)點：簡單且易于實現(xiàn)；缺點：可能導致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)和

死鎖C

主題名稱：動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法

實時系統(tǒng)調(diào)度算法的分類

實時系統(tǒng)調(diào)度算法根據(jù)其時間特性和確定性保證可分為以下幾類：

1.非搶占式調(diào)度算法

*先到先服務(wù)（FCFS）算法：根據(jù)請求到達的時間對任務(wù)進行調(diào)度,

先到達的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*先完成先服務(wù)（SJF）算法：根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行時間對任務(wù)進行調(diào)度，

執(zhí)行時間最短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*最近最少使用（LRU）算法：根據(jù)任務(wù)最近的使用情況對任務(wù)進行

調(diào)度，最近使用過的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

2.搶占式調(diào)度算法

*最高優(yōu)先級優(yōu)先（HPP）算法：根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級對任務(wù)進行調(diào)度，

優(yōu)先級最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*最早截止時間優(yōu)先（EDD）算法：根據(jù)任務(wù)的截止時間對任務(wù)進行

調(diào)度，截止時間最早的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*速率單調(diào)調(diào)度（RMS）算法：僅適用于周期性任務(wù)，根據(jù)任務(wù)的周

期和執(zhí)行時間對任務(wù)進行調(diào)度。

3.時間片調(diào)度算法

*輪轉(zhuǎn)法（RR）算法：將任務(wù)劃分為時間片，每個任務(wù)輪流執(zhí)行一定

的時間片，然后切換到下一個任務(wù)。

*最短剩余時間優(yōu)先（SRT）算法：根據(jù)任務(wù)剩余的執(zhí)行時間對任務(wù)

進行調(diào)度，剩余時間最短的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

4.調(diào)度策略

除了上述基本調(diào)度算法外，還有以下調(diào)度策略：

*動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度：根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的動態(tài)變化調(diào)整其優(yōu)先級。

*多級反饋隊列調(diào)度：將任務(wù)劃分為多個優(yōu)先級隊列，任務(wù)在隊列之

間移動以實現(xiàn)不同優(yōu)先級的任務(wù)之間的公平調(diào)度。

*軟實時調(diào)度：允許任務(wù)在一定程度上錯過截止時間，但具有較高的

成功率。

*多處理器調(diào)度：用于多處理器系統(tǒng)，考慮任務(wù)的依賴關(guān)系和處理器

親和性。

5.混合調(diào)度算法

上述調(diào)度算法可以結(jié)合起來形成混合調(diào)度算法，以滿足不同的實時系

統(tǒng)需求。例如，可以用時間片算法來實現(xiàn)輪轉(zhuǎn)法，同時使用優(yōu)先級算

法來中斷高優(yōu)先級任務(wù)。

在選擇實時系統(tǒng)調(diào)度算法時，需要考慮以下因素：

*任務(wù)的實時性要求（硬實時或軟實時）

*任務(wù)的特性（周期性、非周期性、依賴性）

*系統(tǒng)的資源約束（處理器數(shù)量、內(nèi)存大小）

*系統(tǒng)的性能目標（吞吐量、響應(yīng)時間）

3.優(yōu)點和缺點：

-優(yōu)點：比優(yōu)先級繼承更靈活，避免優(yōu)先級提升級聯(lián)。

-缺點：實現(xiàn)更復雜，可能會導致死鎖。

固定優(yōu)先級調(diào)度算法

固定優(yōu)先級調(diào)度算法是一種實時調(diào)度算法，其中每個線程被分配一個

固定的優(yōu)先級。優(yōu)先級高的線程總是優(yōu)先于優(yōu)先級低的線程執(zhí)行。

算法原理

固定優(yōu)先級調(diào)度算法根據(jù)以下原則工作：

*每個線程被分配一個固定的優(yōu)先級，該優(yōu)先級在整個線程的生命周

期內(nèi)保持不變。

*當多個線程就CPU時間競爭時，具有最高優(yōu)先級的線程將被調(diào)度

執(zhí)行。

*優(yōu)先級相等的線程將按照先到先得(FIFO)原則進行調(diào)度。

算法特性

固定優(yōu)先級調(diào)度算法具有以下特性：

*確定性：算法是確定的，因為線程的優(yōu)先級是固定且不變的。這使

得可以準確預測線程的執(zhí)行順序。

*可預見性：調(diào)度決策很容易預測，因為優(yōu)先級最高的線程總是優(yōu)先

執(zhí)行。

*公平性：對于具有相同優(yōu)先級的線程，調(diào)度遵循先到先得原則，確

保公平性。

*簡單性：算法易于理解和實現(xiàn)，這使其成為簡單實時系統(tǒng)的理想選

擇。

優(yōu)點

固定優(yōu)先級調(diào)度算法的優(yōu)點包括：

*確定性和可預測性，這對于需要精確時間保證的實時系統(tǒng)至關(guān)重要。

*簡單性和易于實現(xiàn)，這使其適用于資源受限的系統(tǒng)。

*線程優(yōu)先級的靜態(tài)度，這簡化了系統(tǒng)的開發(fā)和分析。

缺點

固定優(yōu)先級調(diào)度算法也有一些缺點，包括：

*優(yōu)先級反轉(zhuǎn)：低優(yōu)先級線程可以因高優(yōu)先級線程而被無限期阻止，

從而導致死鎖。

*優(yōu)先級繼承：低優(yōu)先級線程可以繼承高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級，從而

導致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。

*饑餓：低優(yōu)先級線程可以被高優(yōu)先級線程無限期搶占，從而導致饑

餓。

*不適合所有實時系統(tǒng)：固定優(yōu)先級調(diào)度算法不一定適合所有實時系

統(tǒng)，特別是那些具有復雜交互性和爭用關(guān)系的系統(tǒng)。

應(yīng)用

固定優(yōu)先級調(diào)度算法通常用于以下類型的實時系統(tǒng)：

*具有明確定時要求的系統(tǒng)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)。

*具有可預測工作負載的系統(tǒng)，例如嵌入式系統(tǒng)。

*優(yōu)先級分配相對簡單的系統(tǒng)。

改進

為了解決固定優(yōu)先級調(diào)度算法的一些缺點，已經(jīng)提出了幾種改進，例

如:

*優(yōu)先級繼承：通過允許低優(yōu)先級線程暫時繼承高優(yōu)先級線程的優(yōu)先

級來防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。

*優(yōu)先級上限：為每個優(yōu)先級級別設(shè)置一個上限，以防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)°

*優(yōu)先級老化：隨著線程等待執(zhí)行時間的增加，逐漸增加其優(yōu)先級,

以防止饑餓。

第三部分動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

【動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法】

1.修改任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)調(diào)整機制，根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行歷史

和當前狀況動態(tài)分配優(yōu)先級。

2.通過考慮任務(wù)的執(zhí)行時間、截止時間和資源占用情況等

因素，實現(xiàn)對任務(wù)優(yōu)先級的實時調(diào)整。

3.提供更好的系統(tǒng)響應(yīng)時間和資源利用率，滿足實時系統(tǒng)

的嚴格要求。

【固定優(yōu)先級分配策略】

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法是一種線程調(diào)度算法，旨在根據(jù)線程的運行時行

為動態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級。這種算法考慮了線程的過去執(zhí)行歷史、當前資

源使用情況和系統(tǒng)負載等因素，以確保系統(tǒng)中最重要的線程獲得優(yōu)先

執(zhí)行。

算法原理

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法的工作原理主要基于以下兩個關(guān)鍵概念：

*基礎(chǔ)優(yōu)先級：每個線程最初分配一個基礎(chǔ)優(yōu)先級，該優(yōu)先級表示線

程的相對重要性。

*動態(tài)優(yōu)先級：動態(tài)優(yōu)先級是線程在運行時根據(jù)其過去執(zhí)行歷史和當

前資源使用情況而計算出的優(yōu)先級。

調(diào)度過程

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法的調(diào)度過程通常包括乂下步驟：

1.計算動態(tài)優(yōu)先級：在每個調(diào)度點，系統(tǒng)會根據(jù)線程的過去執(zhí)行歷

史（例如執(zhí)行時間、資源使用情況）和當前系統(tǒng)負載計算每個線程的

動態(tài)優(yōu)先級。

2.更新線程優(yōu)先級：根據(jù)計算出的動態(tài)優(yōu)先級，系統(tǒng)會更新線程的

優(yōu)先級。

3.選擇最高優(yōu)先級線程：系統(tǒng)從所有可調(diào)度線程中選擇具有最高優(yōu)

先級的線程。

4.執(zhí)行線程：系統(tǒng)將CPU時間分配給選定的線程，允許其執(zhí)行。

算法變體

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法有很多變體，每種變體都使用不同的方法來計算

動態(tài)優(yōu)先級。一些常見的變體包括：

*最短剩余時間優(yōu)先（SRPT）：該算法根據(jù)線程剩余執(zhí)行時間計算動

態(tài)優(yōu)先級，優(yōu)先執(zhí)行剩余執(zhí)行時間最短的線程。

*時間片權(quán)重輪詢（NRR）：該算法向每個線程分配一個時間片，其大

小與線程的動態(tài)優(yōu)先級成正比。擁有更高動態(tài)優(yōu)先級的線程會獲得更

大的時間片。

*反饋優(yōu)先級調(diào)度（FPS）：該算法根據(jù)線程的過去執(zhí)行歷史來計算動

態(tài)優(yōu)先級。表現(xiàn)良好的線程會獲得更高的優(yōu)先級，而表現(xiàn)不佳的線程

會獲得較低的優(yōu)先級。

優(yōu)點

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法具有一些顯著優(yōu)點：

*響應(yīng)時間改善：通過優(yōu)先考慮重要線程，動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法可以

顯著提高實時系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

*資源利用率提高：算法可以動態(tài)調(diào)整線程優(yōu)先級以優(yōu)化資源利用率,

從而提高系統(tǒng)整體性能。

*靈活性：算法可以根據(jù)系統(tǒng)的具體需求進行調(diào)整，以滿足各種實時

應(yīng)用的要求。

缺點

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法也有一些缺點：

*計算復雜性：計算動態(tài)優(yōu)先級可能是一個計算密集型的過程，這可

能會對實時系統(tǒng)性能產(chǎn)生負面影響。

*優(yōu)先級反轉(zhuǎn)：當一個低優(yōu)先級線程持有高優(yōu)先級線程所需的資源時,

可能會發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。這可能會導致高優(yōu)先級線程的執(zhí)行延遲。

*饑餓：低優(yōu)先級線程可能會被高優(yōu)先級線程無限期地阻止，導致饑

餓（永遠無法執(zhí)行）。

應(yīng)用

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法廣泛應(yīng)用于實時系統(tǒng)中，包括：

*工業(yè)自動化

*醫(yī)療設(shè)備

*航空電子設(shè)備

*汽車系統(tǒng)

結(jié)論

動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法是實時系統(tǒng)中用于提高響應(yīng)時間和資源利用率

的有效調(diào)度技術(shù)。通過動態(tài)調(diào)整線程優(yōu)先級，這些算法可以確保最重

要和最關(guān)鍵的線程在關(guān)鍵時刻獲得優(yōu)先執(zhí)行。雖然動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算

法具有優(yōu)勢和局限性，但在仔細設(shè)計和實施時，它們可以為實時系統(tǒng)

提供高效和可靠的線程調(diào)度解決方案。

第四部分調(diào)度策略和任務(wù)調(diào)度

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

【調(diào)度策略】

1.優(yōu)先級調(diào)度：基于任務(wù)的優(yōu)先級分配CPU時間，優(yōu)先級

高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

2.時間片調(diào)度：每個任務(wù)分配一個時間片，當時間片耗盡

時，任務(wù)被掛起，其他任務(wù)執(zhí)行。

3.輪轉(zhuǎn)調(diào)度：每個任務(wù)輪流執(zhí)行，每個任務(wù)分配固定的執(zhí)

行時間。

【任務(wù)調(diào)度】

調(diào)度策略

調(diào)度策略定義了如何選擇要運行的任務(wù)以及何時運行。實時系統(tǒng)中常

用的調(diào)度策略包括：

*先到先服務(wù)(FCFS)：按照任務(wù)到達時間的順序執(zhí)行任務(wù)。

*先進先出(FIFO)：與FCFS相似，但考慮任務(wù)優(yōu)先級。優(yōu)先級較

高的任務(wù)首先執(zhí)行°

*最近最少使用(LRU)：執(zhí)行最近最少使用的任務(wù)。

*最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)：執(zhí)行預計執(zhí)行時間最短的任務(wù)。

*時間片輪詢(RR)：將執(zhí)行時間劃分為固定大小的時間片，并依次

為每個任務(wù)分配時間片。

*優(yōu)先級調(diào)度：根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級進行調(diào)度。優(yōu)先級較高的任務(wù)具有更

高的優(yōu)先級。

*速率單調(diào)調(diào)度(RMS)：適用于周期性任務(wù)，在每個任務(wù)的第一個執(zhí)

行周期的開始執(zhí)行任務(wù)。

*最早截止時間優(yōu)先(EDF)：適用于具有嚴格截止時間的任務(wù)，首先

執(zhí)行截止時間最早的任務(wù)。

任務(wù)調(diào)度

任務(wù)調(diào)度是選擇要執(zhí)行的任務(wù)并將其分配洽執(zhí)行資源的過程。實時系

統(tǒng)中任務(wù)調(diào)度的關(guān)鍵目標包括：

*滿足截止時間約束：確保任務(wù)在指定的時間內(nèi)完成執(zhí)行。

*最小化響應(yīng)時間：最大限度減少任務(wù)從發(fā)出請求到開始執(zhí)行所需的

時間。

*優(yōu)化系統(tǒng)性能：最大限度提高系統(tǒng)資源的利用率，避免出現(xiàn)死鎖和

資源競爭。

任務(wù)調(diào)度算法

任務(wù)調(diào)度算法用于實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度策略。常用的算法包括：

*搶占式調(diào)度：當高優(yōu)先級任務(wù)到達時，搶占當前正在執(zhí)行的低優(yōu)先

級任務(wù)。

*非搶占式調(diào)度：低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，直到完成或被高優(yōu)先級任

務(wù)搶占。

*時間觸發(fā)調(diào)度：任務(wù)在預定的時間點執(zhí)行，不受外部事件的影響。

*事件觸發(fā)調(diào)度：任務(wù)在特定事件發(fā)生時執(zhí)行。

調(diào)度優(yōu)化

調(diào)度優(yōu)化技術(shù)旨在提高調(diào)度算法的性能。這些技術(shù)包括：

*優(yōu)先級繼承：當一個任務(wù)阻止了一個高優(yōu)先級任務(wù)時，將該任務(wù)的

優(yōu)先級繼承給阻止任務(wù)的優(yōu)先級。

*優(yōu)先級老化：隨著任務(wù)等待執(zhí)行的時間增加，其優(yōu)先級逐漸提高。

*搶占閾值：設(shè)置一個閾值，只有當待執(zhí)行時間的差異超過閾值時才

會發(fā)生搶占。

*多級反饋隊列：根據(jù)任務(wù)的屬性（如執(zhí)行時間、優(yōu)先級）創(chuàng)建多個

隊列，并使用不同的調(diào)度算法為每個隊列調(diào)度任務(wù)。

選擇合適的調(diào)度策略和任務(wù)調(diào)度算法對于實時系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

通過仔細考慮系統(tǒng)要求和限制，系統(tǒng)設(shè)計者可以優(yōu)化調(diào)度機制，以滿

足實時任務(wù)的約束并最大限度提高系統(tǒng)性能。

第五部分調(diào)度延遲的可預測性

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

調(diào)度延遲的可預測性

主題名稱：基于測量的方法1.通過測量系統(tǒng)行為（如任務(wù)執(zhí)行時間、上下文切換開銷）

來估計調(diào)度延遲。

2.需收集大量數(shù)據(jù)以確裸結(jié)果的準確性和統(tǒng)計意義。

3.數(shù)據(jù)的分析和建模技術(shù)對于確定調(diào)度延遲的概率分布至

關(guān)重要。

主題名稱：基于分析的萬法

調(diào)度延遲的可預測性

在實時系統(tǒng)中，線程調(diào)度算法的延遲可預測性至關(guān)重要。調(diào)度延遲的

可預測性是指系統(tǒng)能夠確定線程從被調(diào)度到實際開始執(zhí)行所經(jīng)歷的

時間上限。對于硬實時系統(tǒng)而言，調(diào)度延遲的可預測性尤為重要，因

為它是滿足實時約束的先決條件。

實現(xiàn)調(diào)度延遲可預測性的方法有多種，具體取決于所采用的調(diào)度算法。

以下是一些常見方法：

*固定優(yōu)先級調(diào)度：這種算法將線程分配固定的優(yōu)先級，并根據(jù)優(yōu)先

級對線程進行調(diào)度。固定優(yōu)先級調(diào)度算法的可預測性很高，因為可以

精確計算每個線程的最大調(diào)度延遲。然而，它可能導致優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問

題，其中低優(yōu)先級線程被高優(yōu)先級線程長時間阻塞。

*受限優(yōu)先級調(diào)度：這種算法對固定優(yōu)先級調(diào)度進行了改進，增加了

線程的優(yōu)先級上限C當?shù)蛢?yōu)先級線程被高優(yōu)先級線程阻塞時，其優(yōu)先

級可以暫時提升，從而避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。受限優(yōu)先級調(diào)度算法的

可預測性較好，但比固定優(yōu)先級調(diào)度算法稍差。

*時分復用調(diào)度：這種算法將時間劃分為相等的時隙，并為每個線程

分配一個時隙。每個線程在其分配的時隙內(nèi)獨占處理器資源。時分復

用調(diào)度算法具有非常高的可預測性，因為每個線程的最大調(diào)度延遲等

于時隙長度。然而，它可能會導致資源利用率較低。

*時分復用時隙調(diào)度：這種算法結(jié)合了時分復用調(diào)度和固定優(yōu)先級調(diào)

度。它將時間劃分為相等的時隙，并為每個線程分配一個時隙。但是，

在每個時隙內(nèi)，線程根據(jù)其優(yōu)先級進行調(diào)度。時分復用時隙調(diào)度算法

的可預測性優(yōu)于時分復用調(diào)度，但低于固定優(yōu)先級調(diào)度。

選擇合適的調(diào)度算法以實現(xiàn)所需的調(diào)度延遲可預測性取決于系統(tǒng)的

具體要求。固定優(yōu)先級調(diào)度通常用于要求高可預測性的硬實時系統(tǒng)，

而時分復用調(diào)度則用于要求極高可預測性的任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)。

評估調(diào)度延遲可預測性

評估調(diào)度延遲可預測性的常用方法是進行仿真或分析。仿真涉及創(chuàng)建

系統(tǒng)的模型并對其進行模擬，以測量實際調(diào)度延遲。分析涉及使用數(shù)

學模型來計算最大調(diào)度延遲。

調(diào)度延遲可預測性的影響

調(diào)度延遲的可預測性對實時系統(tǒng)的性能和可靠性有重大影響。高可預

測性調(diào)度算法可確保關(guān)鍵線程在需要時及時執(zhí)行，從而防止系統(tǒng)故障。

可預測性差的調(diào)度算法可能會導致不可預測的延遲，從而可能導致錯

過最后期限和系統(tǒng)故障。

總之，調(diào)度延遲的可預測性是實時系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要考慮因素。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，可以選擇合適的調(diào)度算法以實現(xiàn)所需的延遲可預測

性。評估和臉證調(diào)度延遲的可預測性至關(guān)重要，以確保系統(tǒng)的可靠性

和性能。

第六部分實時操作系統(tǒng)的調(diào)度機制

實時操作系統(tǒng)的調(diào)度機制

實時操作系統(tǒng)（RTOS）中的調(diào)度機制負責管理任務(wù)的執(zhí)行，以滿足實

時約束。調(diào)度算法的選擇對于確保系統(tǒng)可預測性、響應(yīng)性和確定性至

關(guān)重要。

調(diào)度算法

1.先來先服務(wù)（FCFS）

*最簡單的調(diào)度算法。

*任務(wù)按照到達順序排隊，先到達的先執(zhí)行。

*優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，易于理解。

*缺點：可能導致長時間任務(wù)占用資源，使短時間任務(wù)被餓死。

2.短作業(yè)優(yōu)先（SJF）

*根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行時間進行調(diào)度。

*具有最短執(zhí)行時間的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*優(yōu)點：可以最小化平均等待時間。

*缺點：預測執(zhí)行時間可能具有挑戰(zhàn)性。

3.最高響應(yīng)比優(yōu)先（HRRN）

*考慮任務(wù)的等待時間和執(zhí)行時間。

*響應(yīng)比最高的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。

*優(yōu)點：可以防止長時間任務(wù)被餓死。

*缺點：計算開銷可能較高。

4.時分復用（TDM）

*將時間劃分為固定長度的時間片。

*每個任務(wù)輪流獲得一個時間片來執(zhí)行。

*優(yōu)點：確保所有任務(wù)都能得到執(zhí)行。

*缺點：時間片管理開銷可能較高。

5.事件驅(qū)動調(diào)度

*任務(wù)在事件發(fā)生時被調(diào)度。

*優(yōu)點：高效，因為只有在需要時才會調(diào)度任務(wù)。

*缺點：可能難以預測任務(wù)的執(zhí)行時間和優(yōu)先級。

調(diào)度策略

1.非搶占式調(diào)度

*一旦任務(wù)開始執(zhí)行，它將保持執(zhí)行，直到完成。

*優(yōu)點：確定性，沒有上下文切換開銷。

*缺點：可能會導致低優(yōu)先級任務(wù)被高優(yōu)先級任務(wù)餓死。

2.搶占式調(diào)度

*高優(yōu)先級任務(wù)可以打斷正在執(zhí)行的低優(yōu)先級任務(wù)。

*優(yōu)點：可預測性，可以滿足嚴格的截止時間約束。

*缺點：上下文切換開銷可能較高。

3.多級調(diào)度

*將任務(wù)分配到多個優(yōu)先級隊列。

*高優(yōu)先級隊列中的任務(wù)優(yōu)先于低優(yōu)先級隊列中的任務(wù)。

*優(yōu)點：結(jié)合了非搶占式和搶占式調(diào)度的優(yōu)點。

*缺點：調(diào)度算法可能復雜。

調(diào)度機制實現(xiàn)

1.輪轉(zhuǎn)調(diào)度

*使用循環(huán)隊列來管理任務(wù)就緒隊列。

*調(diào)度程序從隊列中獲取下一個任務(wù)并將其分配給處理器。

2.優(yōu)先級隊列

*使用優(yōu)先級隊列來存儲就緒任務(wù)。

*具有最高優(yōu)先級的任務(wù)被優(yōu)先分配給處理器。

3.位圖調(diào)度

*使用位圖來表示就緒任務(wù)。

*位圖中的位置對應(yīng)于任務(wù)的優(yōu)先級級別。

調(diào)度優(yōu)化

1.上下文切換優(yōu)化

*減少上下文切換的開銷。

*使用快速上下文切換機制和優(yōu)化內(nèi)存管理。

2.優(yōu)先級繼承

*當?shù)蛢?yōu)先級任務(wù)持有高優(yōu)先級資源時，暫時提升其優(yōu)先級。

*防止高優(yōu)先級任務(wù)被阻塞。

3.任務(wù)合并

*將相關(guān)任務(wù)合并到一個任務(wù)中。

*減少上下文切換開銷和內(nèi)存使用。

第七部分線程調(diào)度與系統(tǒng)性能的關(guān)系

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

實時性要求

1.實時系統(tǒng)中線程的調(diào)度必須滿足時間約束，確保任務(wù)在

預定的時間內(nèi)完成。

2.根據(jù)任務(wù)的重要性分配優(yōu)先級，優(yōu)先級高的任務(wù)獲得更

高的調(diào)度優(yōu)先權(quán)。

3.采用非搶占式調(diào)度算法，確保高優(yōu)先級任務(wù)不會被低優(yōu)

先級任務(wù)中斷。

資源利用率

1.線程調(diào)度算法需要提高系統(tǒng)資源（如CPU、內(nèi)存）的利

用率，以最大化系統(tǒng)性能。

2.采用多級反饋隊列調(diào)度算法，平衡短任務(wù)和長任務(wù)的執(zhí)

行效率，提高CPU利用率。

3.利用動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整技術(shù)，調(diào)整任務(wù)優(yōu)先級，優(yōu)化資源

分配，提高內(nèi)存和帶寬利用率。

公平性

1.線程調(diào)度算法應(yīng)確保所有線程都獲得公平的CPU時間

片，避免資源壟斷。

2.采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，皮時間片輪流為線程分配CPU時

間，保障線程平等執(zhí)行。

3.限制線程的執(zhí)行時間，防止長時間執(zhí)行的線程占用過多

的資源，影響其他線程的公平性。

可擴展性

1.線程調(diào)度算法應(yīng)具有可擴展性，能夠適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模的擴

大和任務(wù)數(shù)量的增加。

2.采用分層調(diào)度架構(gòu)，濟系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)

獨立調(diào)度，提升可擴展性和效率。

3.利用云計算和分布式系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)線程調(diào)度算法的可

擴展性，支持大規(guī)模實時系統(tǒng)。

能源效率

1.實時系統(tǒng)中線程調(diào)度算法應(yīng)考慮能源效率，盡量減少系

統(tǒng)功耗。

2.采用動態(tài)電壓和頻率調(diào)整技術(shù)，降低CPU功耗，滿足實

時性要求的同時節(jié)約能源。

3.探索低功耗調(diào)度算法，優(yōu)化線程調(diào)度策略，進一步提升

能源效率。

前沿趨勢

1.人工智能驅(qū)動的線程調(diào)度，利用機器學習和深度學習優(yōu)

化調(diào)度決策，提升系統(tǒng)性能。

2.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的線程調(diào)度，確保調(diào)度過程的透明性、

不可篡改性和安全性。

3.云計算和邊緣計算下坡程調(diào)度的新范式，探索分布式調(diào)

度策略和跨平臺協(xié)同調(diào)度機制。

線程調(diào)度與系統(tǒng)性能的關(guān)系

線程調(diào)度在實時系統(tǒng)中至關(guān)重要，因為它決定了系統(tǒng)如何分配和管理

處理器時間。線程調(diào)度決策直接影響系統(tǒng)性能，包括吞吐量、延遲和

響應(yīng)時間。

吞吐量

吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理請求或任務(wù)的數(shù)量。線程調(diào)度策略

會影響吞吐量，因為它決定了哪些線程在何時執(zhí)行。例如，先來先服

務(wù)(FCFS)策略會按線程到達的順序執(zhí)行線程，而優(yōu)先級調(diào)度策略會

優(yōu)先執(zhí)行具有更高優(yōu)先級的線程。

在吞吐量優(yōu)先的系統(tǒng)中，調(diào)度算法應(yīng)該最大化單位時間內(nèi)執(zhí)行的任務(wù)

數(shù)量。公平調(diào)度算法，如輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，可以確保每個線程在一段時

間內(nèi)獲得相等的執(zhí)行時間。

延遲

延遲是指從線程發(fā)出請求到系統(tǒng)處理請求所花費的時間。線程調(diào)度策

略會影響延遲，因為它決定了線程何時開始執(zhí)行。例如，輪轉(zhuǎn)調(diào)度算

法將確保所有線程按順序執(zhí)行，而優(yōu)先級調(diào)度算法會優(yōu)先執(zhí)行具有更

高優(yōu)先級的線程。

在延遲敏感的系統(tǒng)中，調(diào)度算法應(yīng)該最小化請求的延遲?；趦?yōu)先級

的調(diào)度算法可以確保高優(yōu)先級線程的延遲最低。

響應(yīng)時間

響應(yīng)時間是指從線程發(fā)出請求到系統(tǒng)響應(yīng)請求所花費的時間。響應(yīng)時

間受到延遲和調(diào)度開銷的影響。調(diào)度開銷是指系統(tǒng)用于調(diào)度線程的時

間。

在實時系統(tǒng)中，響應(yīng)時間至關(guān)重要，因為它決定了系統(tǒng)對事件的快速

響應(yīng)能力。調(diào)度算法應(yīng)該最小化響應(yīng)時間，同時保持吞吐量和延遲。

調(diào)度算法

常用的線程調(diào)度算法包括：

*先來先服務(wù)(FCFS)：線程按到達順序執(zhí)行。

*輪轉(zhuǎn)調(diào)度：線程輪流獲得相等的執(zhí)行時間片。

*優(yōu)先級調(diào)度：具有更高優(yōu)先級的線程優(yōu)先執(zhí)行。

*最短任務(wù)優(yōu)先(SJF)：具有最短執(zhí)行時間的線程優(yōu)先執(zhí)行。

*最早截止日期優(yōu)先(EDF)：具有最早截止日期的線程優(yōu)先執(zhí)行。

選擇調(diào)度算法

選擇合適的調(diào)度算法取決于系統(tǒng)的特定需求。吞吐量優(yōu)先的系統(tǒng)可能

使用公平調(diào)度算法，而延遲敏感的系統(tǒng)可能使用基于優(yōu)先級的調(diào)度算

法。實時系統(tǒng)通常需要使用EDF或SJF等確定性調(diào)度算法。

優(yōu)化調(diào)度

以下策略可以優(yōu)化線程調(diào)度：

*使用分級調(diào)度：將線程分為多個優(yōu)先級級別，并在不同級別之間使

用不同的調(diào)度算法。

*使用多級反饋隊列：將線程安排在多個隊列中，根據(jù)其執(zhí)行時間和

優(yōu)先級進行調(diào)度。

*使用負載平衡：將線程均勻分布在多個處理器核或節(jié)點上，以減少

爭用。

*使用調(diào)度中斷：允許高優(yōu)先級線程在較低優(yōu)先級線程執(zhí)行時中斷它

們的執(zhí)行。

通過仔細選擇和優(yōu)化線程調(diào)度算法，可以顯著提高實時系統(tǒng)的性能,

滿足吞吐量、延遲和響應(yīng)時間要求。

第八部分實時系統(tǒng)調(diào)度中優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級上限

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點

優(yōu)先級繼承

1.優(yōu)先級繼承是一種機制，當一個低優(yōu)先級的線程阻塞廣

一個高優(yōu)先級的線程時，低優(yōu)先級線程將暫時繼承高優(yōu)先

級的優(yōu)先級。

2.這樣做是為了防止低優(yōu)先級的線程無限期地阻塞高優(yōu)先

級的線程，并確保高優(yōu)先級的線程在適當?shù)臅r間內(nèi)運行。

3.優(yōu)先級繼承僅在高優(yōu)先級的線程被阻塞期間有效，一旦

高優(yōu)先級的線程恢復運行，低優(yōu)先級的線程將恢復其原來

的優(yōu)先級。

優(yōu)先級上限

1.優(yōu)先級上限是一種機制，它限制一個線程的最高優(yōu)先級，

無論它的繼承的優(yōu)先級如何。

2.這樣做是為了防止低優(yōu)先級的線程因繼承高優(yōu)先級的優(yōu)

先級而無限期地獲取較高的優(yōu)先級。

3.優(yōu)先級上限通常用于防止低優(yōu)先級的線程搶占高優(yōu)先級

的線程，并確保高優(yōu)先級的線程始終具有最高的優(yōu)先級。

實時系統(tǒng)調(diào)度中的優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級上限

優(yōu)先級繼承

優(yōu)先級繼承是一種調(diào)度機制，用于解決實時系統(tǒng)中的資源爭用問題。

當一個低優(yōu)先級任務(wù)阻塞一個高優(yōu)先級任務(wù)時，低優(yōu)先級任務(wù)暫時繼

承高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級。這一機制確保高優(yōu)先級任務(wù)不會因低優(yōu)先

級任務(wù)而長期阻塞c

實現(xiàn)優(yōu)先級繼承

優(yōu)先級繼承可以通過以下步驟實現(xiàn)：

*當一個低優(yōu)先級任務(wù)阻塞一個高優(yōu)先級任務(wù)時，低優(yōu)先級任務(wù)繼承

高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級。

*當?shù)蛢?yōu)先級任務(wù)不再阻塞高優(yōu)先級任務(wù)時，它將恢復其原始優(yōu)先級。

*任何繼承了更高優(yōu)先級的任務(wù)都將比其原始優(yōu)先級更高優(yōu)先級的

新任務(wù)優(yōu)先調(diào)度。

優(yōu)先級繼承的優(yōu)點

優(yōu)先級繼承有以下優(yōu)點：

*確保高優(yōu)先級任務(wù)不會長期阻塞：通過繼承阻塞任務(wù)的優(yōu)先級，高

優(yōu)先級任務(wù)可以立即執(zhí)行，從而最大限度地減少其阻塞時間。

*提高系統(tǒng)響應(yīng)時間：優(yōu)先級繼承確保對高優(yōu)先級事件的響應(yīng)更迅速,

從而提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)時間。

*減少任務(wù)死鎖：優(yōu)先級繼承可以防止任務(wù)死鎖，其中多個任務(wù)互相

阻塞。

優(yōu)先級上限

優(yōu)先級上限是一種調(diào)度機制，用于限制任務(wù)繼承的最高優(yōu)先級。這有

助于防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，其中低優(yōu)先級任務(wù)無限期阻塞高優(yōu)先級任

務(wù)。

實現(xiàn)優(yōu)先級上限

優(yōu)先級上限可以通過以下步驟實現(xiàn):

*為每個任務(wù)分配一個優(yōu)先級上限，這表示它可以繼承的最高優(yōu)先級。

*當一個任務(wù)繼承的優(yōu)先級達到其上限時，它將不再繼承更高的優(yōu)先

級。

*所有任務(wù)的優(yōu)先級上限必須仔細設(shè)置，以避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。