关于Linux内核的实时性增强有哪些新进展？

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半个灵魂

10月26日发表在 Linux Kernel Linux内核项目阅读 9 评论 20 | 免费使用 “AI大模型GPT4.0” 提问

在Linux内核中增强实时性的技术进展主要围绕着PREEMPT_RT补丁（实时补丁）的合并和优化。这些补丁的目标是帮助Linux获得更好的实时性能，使其适用于对延迟敏感的应用。

PREEMPT_RT补丁的集成：PREEMPT_RT补丁最初是作为一个外部补丁集提供，但近年来，社区一直在努力将其功能集成到主线内核中。这种集成将使实时功能得到更广泛的测试和更快的更新。
锁的改进：为了实现低延迟，PREEMPT_RT补丁对内核中的各种锁（如自旋锁和互斥体）进行了改进，使得它们在被保持时也能支持抢占，从而减少调度延迟。
软中断和硬中断的线程化：PREEMPT_RT将硬中断处理和软中断处理线程化，使它们能够被调度程序管理。这种变化有助于提高系统的可预见性和响应时间。
更细粒度的抢占：Linux内核开发者通过改善抢占点（preemption points），使任务在更多的场景中可以被抢占。这种细粒度的控制帮助减少了最大可能的响应时间。
资源管理的改进：对于实时应用来说，资源争用（如内存和CPU）会导致不确定的延迟。通过新的调度类和增强的资源管理策略，Linux内核能够更好地满足实时应用的需求。
辅助工具：相关的用户空间工具和库的开发（如线程优先级管理、延迟监测和分析工具等）也在提升Linux作为实时平台的使用体验。

一般来说，随着这些特性的逐步合并和优化，Linux内核在嵌入式系统、工业控制、音频处理、金融服务等需要实时性能的领域中的使用变得更加普遍。这些进展不仅使Linux成为通用计算中的有力工具，也使其成为高性能实时系统的理想选择。

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20条评论

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没有

10月30日

PREEMPT_RT补丁的集成非常重要，它能让Linux更适合实时应用。我在一个音频处理项目中使用过，效果显著。

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韦星灏： @没有

在实时应用领域，PREEMPT_RT补丁的确是在Linux内核中提升实时性的一个重要进展。通过该补丁，内核能够实现更低的延迟，这是音频处理和其他实时任务非常关键的。

在使用PREEMPT_RT时，除了保证内核的可预见性，还可以考虑使用实时调度策略，比如SCHED_FIFO或SCHED_RR。这些策略允许应用程序在其时间片内获取优先执行权，从而有效降低了延迟。

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

int main() {
    struct sched_param sch;
    sch.sched_priority = 99; // 最高的优先级
    if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &sch) == -1) {
        perror("sched_setscheduler failed");
        return 1;
    }
    // 执行音频处理任务
    while (1) {
        // 处理音频数据
    }
    return 0;
}

另外，务必配置好系统的中断和调度参数，以确保在高负载情况下，实时任务的执行不会受到干扰。这方面可以参考Linux的官方文档或实时Linux的相关指南，比如 Real-Time Linux Documentation。

通过综合使用这些工具和技巧，可以进一步优化实时应用的性能，使其更加稳定高效。

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承诺

11月03日

锁的改进对降低调度延迟的影响不可小觑。在我的项目中，优化内核的锁使用，使任务响应更及时，值得探索更多。代码示例：

spin_lock(&my_lock);
// 关键操作
spin_unlock(&my_lock);

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cwfcwf： @承诺

优化锁的使用确实是提升调度性能的关键因素之一。除了简单的自旋锁，使用互斥锁和读写锁的细粒度锁策略也是值得注意的选择。对于对实时性有要求的系统，可以考虑使用优先级反转的解决方案，例如使用优先级继承来确保高优先级任务在等待低优先级任务时不会受到长时间的阻塞。

pthread_mutex_t my_mutex;
pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_setprotocol(&attr, PTHREAD_PRIO_INHERIT);
pthread_mutex_init(&my_mutex, &attr);

// 在临界区
pthread_mutex_lock(&my_mutex);
// 关键操作
pthread_mutex_unlock(&my_mutex);

pthread_mutexattr_destroy(&attr);

此外，实时内核补丁（如PREEMPT-RT）也提供了一系列的调度和锁机制改进，以降低调度延迟和提高响应速度，可以考虑在项目中引入。有关实时内核的更多信息，可以参考 Red Hat's Real-Time Kernel Guide。这样的参考资料能够帮助解决具体的实时性需求，进一步优化我们的实现。

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时间

11月09日

将软中断和硬中断线程化大大提高了系统的可预测性，这对实时系统非常有利。对工业控制系统来说尤为重要，建议进一步研究这个方向。

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海誓不盟： @时间

对于实时系统的可靠性，确实可以通过将软中断和硬中断进行线程化来提高可预测性。在处理工业控制应用时，这种方法特别有效，因为它可以减少延迟并提高响应能力。

另一个值得关注的进展是利用Linux中的实时调度策略，例如SCHED_FIFO和SCHED_RR，这些策略可以确保实时任务在系统中获得优先考虑。例如，使用以下代码可以创建实时任务：

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

void *real_time_task(void *arg) {
    while (1) {
        // 执行实时操作
    }
}

int main() {
    pthread_t rt_thread;
    struct sched_param param;

    // 设置调度策略为FIFO
    param.sched_priority = 99; // 设定优先级
    if (pthread_setschedparam(rt_thread, SCHED_FIFO, &param) != 0) {
        perror("pthread_setschedparam");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建线程
    pthread_create(&rt_thread, NULL, real_time_task, NULL);
    pthread_join(rt_thread, NULL);

    return 0;
}

在实际应用中，最好在调度前对系统的任务负载和实时需求进行详细分析，以确保系统始终处于最佳性能状态。此外，可以参考 Linux Wiki上关于Real-Time preemption 的文档，进一步了解内核的实时性增强及其实际应用。

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如烟

6天前

我非常赞同更细粒度抢占的做法，这可以显著提高响应时间。测试期间的延迟减少让我对系统的稳定性有了更强的信心。

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星星草： @如烟

在探讨更细粒度抢占的效果时，可以考虑使用优先级等级和调度策略相结合的方法。例如，利用SCHED_FIFO或SCHED_RR调度策略来实现更高的响应性，这样在系统负载较高时，也能保证实时任务的及时执行。下面是一个简单的代码示例，展示如何设置线程的调度策略：

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

void* my_task(void* arg) {
    while (1) {
        printf("Real-time task running...\n");
        usleep(500000); // 每500ms运行一次
    }
}

int main() {
    pthread_t thread;
    struct sched_param param;

    // 创建线程
    pthread_create(&thread, NULL, my_task, NULL);

    // 设置线程为实时调度
    param.sched_priority = 99; // 设定优先级
    pthread_setschedparam(thread, SCHED_FIFO, &param);

    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

上面的代码中，创建了一个实时任务，并将其设置为SCHED_FIFO策略。这个策略给线程最高的执行优先权，可以有效减少延迟。另外，还有一些技术可以参考，比如使用rcu（Read-Copy-Update）机制来提高并发性能，或者采用PREEMPT_RT补丁来增强内核的抢占能力。

关于实时性的提升，实时内核的实时调度、irq处理及系统调用优化都是值得关注的方向。可以参考这篇文章深入了解实时Linux的实现：Real-Time Linux。

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睡在树上的鱼

10小时前

资源管理的改进让我想到了调度类的使用。通过优化资源分配，可以更好地满足实时需求。代码示例：

sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO, &policy);

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是我的海： @睡在树上的鱼

在谈到实时需求的调度时，调度器的选择和策略确实是极其重要的。除了SCHED_FIFO，SCHED_RR（轮转调度）也可以是一个好的选择，尤其在任务需要公平使用CPU资源时。通过动态调整任务的优先级和资源分配，能够更有效地满足实时应用对响应时间的要求。

以下是一个简单的示例，展示如何设置轮转调度策略并指定优先级：

struct sched_param param;
param.sched_priority = 20; // 设置优先级
sched_setscheduler(pid, SCHED_RR, &param);

此外，结合使用cgroups（控制组）和CPU亲和性，可以进一步提高实时性能。例如，通过设置特定的控制组，让实时任务在特定的CPU核上运行，能够减少任务之间的上下文切换，提高响应速度。

对于感兴趣的实时系统调优，可以参考 The Linux Kernel documentation，里面有关于调度策略和CPU资源管理的详细说明。这样的资料会帮助进一步理解如何在Linux内核中实现更优化的实时调度。

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如梦

刚才

在尝试这些新特性时，我发现实时应用的复杂度大大降低。尤其是在多线程环境下，优先级管理变得更容易，降低了开发难度。

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迷爱女郎： @如梦

在实时应用中，优先级管理的简化确实是一个值得关注的进展。尤其是在多线程环境下，使用如pthread库中的pthread_setschedparam函数，可以动态调整线程的优先级，从而让开发者更加灵活地管理资源。以下是一个简单的示例：

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

void *thread_function(void *arg) {
    // 执行实时任务
    while (1) {
        // 处理任务
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    struct sched_param param;

    // 创建线程
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

    // 设置线程的实时优先级
    param.sched_priority = 85;  // 实时优先级
    pthread_setschedparam(thread, SCHED_FIFO, &param);

    // 主线程可以执行其他任务
    pthread_join(thread, NULL);
    return 0;
}

此外，使用CFS调度算法的更新也为开发者提供了很好的灵活性，使得在CPU资源分配上可以更好地适应各种应用场景。可以参考 Linux Kernel Documentation 中关于调度器的详细说明获取更多信息。

运用这些新特性可以显著提升系统的实时性能，同时简化开发流程。各类实时应用例如音频和视频处理、机器人控制等都能受益于此。总的来说，这些进展在实时性方面为开发者提供了更为实际的工具。

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渴求

刚才

想请教，有没有类似的工具或库推荐给那些刚接触Linux实时系统的开发者？希望能提供使用实例或链接。

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试探： @渴求

对于刚接触Linux实时系统的开发者，理解和使用一些工具和库确实能大有裨益。可以考虑以下几个有用的资源：

PREEMPT-RT Patch: 这是一个常用的实时补丁，旨在提升Linux内核的实时性能。应用此补丁后，可以大幅减少中断和调度延迟，从而提高实时性。
Xenomai: 这是一个提供实时运行环境的框架，可以与Linux内核协同工作，适合需要硬实时的应用开发。通过将Xenomai运行时结合到你的项目中，能够实现极低的延迟。
rt-test: 这是一个简单的测试工具，可以帮助开发者测量系统的实时性能。使用方法简单，可以在终端运行以下命令进行安装：
```
sudo apt-get install rt-tests
```
然后可以使用cyclictest工具来测量延迟：
```
sudo cyclictest -t1 -p 80 -n -i 10000 -l 100000
```
Documentation and Tutorials: 官方文档永远是学习的好资料。可以访问 The Real-Time Linux Wiki 来获取最新的信息、教程和最佳实践。

探索这些工具后，能够更好地理解Linux在实时应用中的表现，进而提升开发效率。

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韦子烟

刚才

关于延迟监测工具，我曾使用过latencytop，这个工具对于分析延迟问题很有帮助。可以考虑在文中补充相关工具的使用信息。

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比烟花还寂寞： @韦子烟

关于延迟监测工具的讨论很有意义。除了 latencytop，还可以考虑使用 ftrace 进行内核延迟分析。ftrace 是一个强大的跟踪工具，能够帮助开发者捕捉函数调用以及其他内核活动的时间，深入了解延迟的来源。

例如，可以通过以下步骤使用 ftrace：

确保内核已启用 ftrace 支持。
挂载 debugfs： bash mount -t debugfs none /sys/kernel/debug
启用函数追踪： bash echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
开始追踪： bash echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
可以随时检查追踪输出： bash cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

通过这种方式，可以获得更细致的延迟数据，有助于针对特定延迟问题进行优化。建议进一步查阅关于 ftrace 的更多文档，例如 ftrace Documentation，以获取更深入的使用技巧和示例。

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烟花

刚才

建议探索更复杂的调度策略，比如集成CFS与实时调度的组合使用，能否在某些场景下提升性能，这值得关注。

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我在等谁： @烟花

对于实时调度与完全公平调度（CFS）结合的思路，考虑到不同应用场景下的需求，确实值得深入探讨。一个可能的实现方向是通过使用Linux内核的SCHED_DEADLINE调度策略，结合CFS，以便在确保实时任务的同时，平衡系统中的其他任务。

以下是一个简单的代码示例，展示如何注册一个实时任务，同时利用CFS管理其他进程：

#include <linux/sched.h>
#include <linux/kernel.h>

void create_realtime_task(void) {
    struct sched_param param;
    pid_t pid = fork();

    if (pid == 0) { // 子进程
        param.sched_priority = 99; // 设置最高优先级
        sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param);
        // 执行实时任务
        while (1) {
            // 实时处理代码
        }
    }
    // 主进程继续以CFS调度运行其他任务
}

int main(void) {
    create_realtime_task();
    // 其他CFS工作
    while (1) {
        // CFS调度的其他任务
    }
}

此外，或许可以探讨RT_APP与CFS结合的调度策略，这可能会在系统负载较轻时，优先处理重要实时任务，而在负载高时又能回退到CFS提高系统的整体利用率。关于调度策略的更多实例和讨论，不妨参考 Linux Kernel Documentation，具体资料可在此链接查看：Linux Kernel Documentation。

这种结合策略的引入可能会拓展在高性能计算、音视频处理等领域的应用潜力，未来可以在实际的应用场景中继续进行性能评估。

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棉花糖

刚才

实时系统的开发对于经验要求较高，此外文中提到的相关工具对开发者相对友好。希望能有更多的实践案例供参考，比如如何在实际项目中运用这些特性。

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北去候鸟： @棉花糖

关于实时系统开发的经验要求确实较高，尤其是在Linux内核环境中。对于开发者来说，了解一些实践案例无疑能提供更直观的理解。例如，可以考虑使用PREEMPT_RT补丁来提升Linux内核的实时性。

在一个简单的实时应用中，可以利用实时调度类来确保任务的优先级。以下是一个示例代码片段，展示如何设置一个实时线程：

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

void* realtime_task(void* arg) {
    while (1) {
        // 执行实时任务
        printf("实时任务正在执行...\n");
        usleep(500000); // 休眠500毫秒
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    struct sched_param param;

    // 创建实时线程
    pthread_create(&tid, NULL, realtime_task, NULL);

    // 设置线程为实时优先级
    param.sched_priority = 99; // 优先级范围是1-99
    pthread_setschedparam(tid, SCHED_FIFO, &param);

    // 主线程
    while (1) {
        printf("主线程正在运行...\n");
        usleep(1000000); // 休眠1秒
    }

    return 0;
}

这种方式可以确保实时任务优先获得CPU资源，从而提高系统的响应能力。

进一步阅读和学习相关技术，可以参考一些在线资源，例如Kernelshan上关于实时Linux的讨论和案例。这种实践分享能够帮助开发者更好地掌握实时系统的开发技巧。

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