Linux 应用程序CPU调度优化

缘起

       实时操作系统（Real-time operating system, RTOS），又称即时操作系统，它会按照排序运行、管理系统资源，并为开发应用程序提供一致的基础。实时操作系统与一般的操作系统相比，最大的特色就是实时性，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会马上（在较短时间内）执行该任务，不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。
      经常跟实时操作系统一起讲的，还有嵌入式操作系统这个概念，但实际上这是完全不同的两种东西，虽然大多数实时操作系统都是嵌入式操作系统，但嵌入式操作系统并不全都是实时的。
      对于实时操作系统有一些常见的误区，比如：速度快，吞吐量大，代码精简，代码规模小等等。其实这些都不算是实时操作系统的特性，别的操作系统也可以做到。只有实时性才是RTOS的最大特征，其它的都不算是。

在了解了关于实时的概念后, 对于以下说描述的问题相对会更好理解一点. 本文采用的平台是RK3588 + Linux, 运行非实时操作系统编写一个C++程序, 用于从陀螺仪中读取数据并写入文件中, 陀螺仪的采样频率为 2000HZ, 也就是说0.5MS采样一次, 文件中写一行. 通过优化应用程序的CPU调度, 提高应用程序相应的实时性, 尽量接近实时操作系统.
在这里插入图片描述

过程

神奇的现象: 频繁地打印时间间隔反而缩小了!

	char buff[32];
	while(true){
    
    
		size_t read = read(fd, buff, 32);
		//-----------打印-------------
		//---------------------------
	}

打印的方式有两种, 一种是次循环里都有打印, 另一种是每个 1秒打印一次.

方式	帧率
每次循环	2000HZ
隔一秒	1500-1900HZ

多次测试后,结果依旧, 为了保证输出的稳定性, 于是做了一些尝试, 其中一种方法就是提高线程的优先级
提高线程的优先级可以影响线程的调度顺序，使其在竞争资源时更有可能获得CPU时间片.

	pthread_t thread = pthread_self(); // 获取底层线程句柄
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = sched_get_priority_max(SCHED_FIFO);
    if (pthread_setschedparam(thread, SCHED_FIFO, &param) != 0) {
    
    
        std::cerr << "无法设置线程的优先级" << std::endl;
    }

很幸运, 方法有效.

在前面读取数据的基础上, 加上了写入文件, 记录数据的功能, 整体性能和稳定性下降明显

原因有两个

主控运行在性能自动调节模式
程序运行在低性能的小核上

第一点很好解决: 参考RK3588 CPU GPU DDR NPU定频和性能模式设置设置高性能模式即可.
在这里插入图片描述

第二点需要用到taskset, 参考Linux性能优化（十五）——CPU绑定
taskset用来查看和设定“CPU亲和力”，说白了就是查看或者配置进程和cpu的绑定关系，让某进程在指定的CPU核上运行，即是“绑核”。
RK3588: CPU – 4x Cortex-A76 @ 2.4/2.6 GHz和 4x Cortex-A55 内核@ 1.8 GHz, 4个大核, 4个小核.
需注意的是, 4个小核在0-3, 4个大核在4-7, 刚开始使用taskset是一直设置在小核上, 导致修改后效果不明显.

指定CPU运行程序:

#程序运行在 CPU 7上.
taskset -c 7 /my_program

修改运行中的程序

#修改指定进程运行到 CPU 7 上
taskset -pc 7 pid

修改后可以通过命令查看, 参考判断Linux进程在哪个CPU核运行的4个方法

## 方法1
$ taskset -cp pid
pid pid's current affinity list: 0-15

## 方法2
$ ps -eo pid,cmd,psr 4597
   4597 cat                          15

Timer 与 Thread 的sleep

为了稳定帧率, 减少帧误差, 稳定采样间隔在0.5MS, 尝试使用了线程和定时器的方法, 从测试结果看定时器的精度跟高

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <time.h> 


void  handle(union sigval v){
    
    
    time_t t;
    char p[32];
    time(&t);
    strftime(p, sizeof(p), "%T", localtime(&t));
    printf("%s thread %lu, val = %d, signal captured.\n", p, pthread_self(), v.sival_int);
    return;
}

int main(int argc, char *argv[]){
    
    

    struct sigevent evp;
    struct itimerspec ts;
    timer_t timer;
    int ret;
    memset   (&evp, 0, sizeof(evp));
    evp.sigev_value.sival_ptr = &timer;
    evp.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
    evp.sigev_notify_function = handle;
    evp.sigev_value.sival_int = 3;   //作为handle()的参数
    ret = timer_create(CLOCK_REALTIME, &evp, &timer);
    if( ret){
    
    
        perror("timer_create");
    }
   
    ts.it_interval.tv_sec = 1;
    ts.it_interval.tv_nsec = 0;
    ts.it_value.tv_sec = 3;
    ts.it_value.tv_nsec = 0;
    ret = timer_settime(timer, TIMER_ABSTIME, &ts, NULL);
    if( ret )
    {
    
    
        perror("timer_settime");
    }

    while(1);

}

结语

整个过程下来, 有效的优化有以下几点:

提高硬件工作频率, 如CPU, DDR, EMMC等
优化CPU调度, 把进程放到高性能的核上去运行
错开进程, 避免CPU资源抢占
提高线程优先级
Timer的精确度优于 Thread 的 sleep

另外还有内核实时补丁方法，有待验证

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“有更好的方法或建议, 欢迎不吝指教”

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引用

RK3588 CPU GPU DDR NPU定频和性能模式设置
 判断Linux进程在哪个CPU核运行的4个方法
 Linux性能优化（十五）——CPU绑定
 什么是实时操作系统（RTOS）
Linux 系统上最常用的定时器