Task之调度策略

我们知道VxWorks是一个典型的Multitasking OS(多任务操作系统)，每个Task都可能有多种状态，其中处于Ready状态的Task一旦拿到CPU，就可以执行了。不过CPU的数量再多，也不太可能比Task的数量多。也就是说，总会有Task即使进入了Ready状态，也抢不到CPU，还是不能执行。

那么当有了空闲的CPU时，到底是分配给哪个Ready的Task呢？这就涉及到系统的Scheduling(调度策略)了。如果硬件是Multicore Processors，VxWorks运行的又是SMP(Symmetric MultiProcessor)模式，那情况稍微复杂些，咱们以后再聊。今天先看看UP(UniProcessor)模式的情况。 Priority 不管哪种策略，都基于一个很重要的概念，即Task的Priority(优先级)。Task的优先级是在创建时指定的，而且后期也可以动态调整，不过不建议在应用中频繁修改Task的优先级，因为可能带来了调度的不确定性。优先级的取值范围是0-255，其中0的优先级最高，255的优先级最低。具体每个Task的优先级取值是没有限制的，只是建议应用Task的优先级不小于100，驱动Task的不大于99。

Priority-based Preemptive Scheduling VxWorks传统的调度策略是基于优先级抢占，这也是默认的策略，在Vxworks Image Project中对应的component是INCLUDE_VX_TRADITIONAL_SCHEDULER

在这种策略下，如果一个Ready状态的Task的优先级比正在运行的Task的优先级高，就会发生抢占。

例如上图中，开始时只有Task C处于Ready状态，那么就是C占用CPU来执行，当Task B通过某种原因(例如taskSpawn())进入了Ready状态，就会发生抢占，即Kernel立即保存C的上下文，切换到B的上下文。只有当B通过某种原因(例如申请信号量，进入Pended状态)退出Ready状态，Kernel才能再次切换到C。 因此，永远都是Ready状态中，优先级最高的Task在执行。 Kernel为每种状态的Task都维护着一个队列，其中Ready队列又有多个List，相同优先级的Task处于同一个List。当某一优先级的Task可以执行时，都是该List最前端的Task来执行。Task在队列中的位置可能发生变化，情景如下

• Task被其它高优先级的Task抢占后，还保持在其List的头部
• Task退出Ready队列(例如进入Pended、Delayed、Suspended等)后，又返回Ready队列的，排在其原List的尾部
• Task的优先级被taskPrioritySet()修改后，排在新List的尾部
• Task的优先级被互斥信号量的继承策略临时提高后，又恢复原有优先级的，排在其原List的尾部

函数taskRotate()可以把一个Task从其List的头部移到尾部。例如taskRotate(100)就是把优先级100的List的头部的Task移到该List的尾部。如果正在执行的Task要把自己移到当前List的尾部，可以直接调用taskRotate(TASK_PRIORITY_SELF)。我们在《Task之任务的控制》中，也介绍过一种类似的方法，谁还记得？

Round-Robin Scheduling 优先级抢占策略有一个缺点，就是当多个优先级相同的Task中的某个占用CPU后，如果一直不退出Ready状态的话，其它同优先级的Task就一直得不到执行。刚刚提到的taskRotate()可以缓解这个问题，不过这会对应用开发人员有一定的要求。其实Kernel还提供了一种调度策略，时间片轮转策略(Round-robin scheduling)，来解决这个问题。 时间片轮转策略也是一种传统策略，不过默认没有使能。这样策略就是给同优先级Task分配一定的时间片(Time-Slicing)来共享CPU。同一List中，每个Task执行特定的时间片后，就把CPU让给下一个Task，自己移到该List的尾部。如果时间片还没有执行完，同一List中的Task是不能抢占它的，除非它主动让出CPU或退出Ready队列。

上图中，3个Task (A、B、C)的优先级相同，它们依次执行，每次都消耗同样的时间片。如果还有其它优先级不同的Task，是不会影响Task A、B、C的时间片长度的。

上图中Task B创建了低优先级的Task X之后，X并不会影响A、B、C的时间片。因为X的优先级低一些，即使它已经在Ready队列了，也要等A、B、C全部退出Ready状态后，它才有可能占用CPU执行。

而如果有高优先级的Task进入Ready状态时，还是会立即发生抢占。上图中Task B被高优先级的Task Y抢占后，会排在同优先级List的头部。等到Y退出Ready队列后，B会继续执行之前剩余的时间片。猜一猜Kernel怎么知道B的时间片还剩余多少呢？ 从上面几个例子可以看到，优先级抢占策略是始终存在的，不同优先级的Task之间一直都会遵循抢占的策略。时间片轮转策略只在同优先级的Task之间生效。而且VxWorks的这种时间片轮转默认还是关闭的。

要想打开时间片轮转策略，只需要调用函数kernelTimeSlice()，其参数为0就表示关闭该策略，参数大于零时就表示打开策略并设置时间片的长度。这个ticks指的是系统时钟的频率，因此kernelTimeSlice(sysClkRateGet()/2)表示将时间片设置为半秒。参数的数据类型使用的是int，这是因为要兼容老版本的原因，而代码中实际是按照unsigned long来操作的。 可以看到，VxWorks中所有Task的时间片都是相同的。而在有的操作系统中，优先级不同的Task会使用不同长度的时间片。例如Linux中默认的SCHED_OTHER策略，高优先级的进程/线程会占用多一些的时间片。 那VxWorks的这个时间片轮转策略在什么情况下才需要打开呢？一般是应用程序中有多个Task的优先级相同，而且它们还会同时长时间的处于Ready状态。事实上，这种场景出现的并不多。还有一点，这个策略尽量不要在运行时动态改变，不然就给Kernel的调度带来了不确定性，这可不是实时系统希望看到的。如果必须要设置时间片的话，最好放在系统启动之后，应用启动之前。

Task Locks VxWorks在UP模式里还提供了一种特殊的机制，taskLock()/taskUnlock()，可以让当前Task不被任何其它Task抢占。一个Task在调用taskLock()之后，调用taskUnlock()之前，只要它还是Ready状态，优先级再高的Task也无法抢占它；如果打开了时间片轮转，那么它的时间片计数也不会增加。这种状态只有调用了taskUnlock()才会取消。如果在taskLock()和taskUnlock()中间，这个Task阻塞或挂起了，那Kernel就恢复原有的调度策略，一旦这个Task返回Ready队列，就会再次禁止对它的抢占。而且taskLock()/taskUnlock()还是可以嵌套使用的，不过Unlock的次数要一致。

可以看到，调用taskLock()之后，禁止了所有Task(包含与当前Task没有关联的高优先级的Task)的抢占，这就影响了系统的实时响应。因此这种机制尽量少用，而且taskLock()和taskUnlock()之间的代码要尽量的简短，不要有耗时的操作。迫不得已的时候，还可以考虑使用互斥信号量来代替。 还有一点，taskLock()不能阻止Interrupt的抢占。必要的话，可以加上intLock()/intUnlock()的组合，把Interrupt的抢占也禁掉。

Other Scheduling 除了默认的优先级抢占和时间片轮转，VxWorks系统还为RTP里的POSIX thread提供了POSIX threads scheduling，INCLUDE_POSIX_PTHREAD_SCHEDULER。咱们在介绍RTP时，再介绍这种策略。 另外，VxWorks还提供了用户自定义框架，INCLUDE_CUSTOM_SCHEDULER。我们可以添加自己的调度策略，有兴趣的童鞋可以去研究一下。 这正是： VX系统实时好，级别高者优先跑。 若有同级来竞争，可以分片来运行。