CN104090826A - 基于相关性的任务优化部署方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于相关性的任务优化部署方法，采用的对称多处理器系统包括多个CPU，每个CPU都有专用的亲和性队列，包括：若有新任务就绪时，判断新任务是否具有亲和性；将具有亲和性的新任务放到亲和性队列中，判断亲和性CPU上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，若CPU上正在运行的任务不具有CPU亲和性时，则抢占CPU同时退出，若CPU上正在运行的任务具有CPU亲和性时，则退出；将不具有亲和性的新任务放到全局就绪队列中，寻找运行最低优先级任务的CPU，若寻找到比新任务优先级低的任务运行的CPU时，则抢占CPU，否则直接退出。本发明合理分配操作系统任务调度，使多个CPU负载平衡，充分利用硬件资源。
Description
技术领域
本发明涉及对称多处理器系统，具体地，涉及一种基于相关性的任务优化部署方法。
背景技术
随着科学技术的进步，人们对数据的处理速度的要求越来越高，比如生物学家正在试图理解人类基因的含义，天文学家正在了解宇宙，游戏玩家追求流畅、高清游戏带来的成就感与震撼力，这些都需要更多的CPU(处理器)周期。
单处理器工艺已经发展到极致，获得更高速度的一种处理方式是大规模使用并行计算。共享存储多处理器应运而生，其中两个或更多的CPU核全部共享访问一个公用的RAM(内存)。
多处理器的运行需要多处理器操作系统。当前，国产嵌入式多核计算系统中运行的嵌入式实时操作系统有两类，一类是操作系统和任务运行在一个处理器上，其它处理器不运行任何程序，处于空转状态；另一类是操作系统运行在一个处理器上，应用任务经过操作系统布置，分别置于其它处理器上运行(AMP，非对称多处理器)。第一种方法只使用一个处理器，处理器性能与单一处理器性能相当，但系统的功耗、成本、体积却上升较大；第二种方法将其它的处理器当作系统的计算资源，对每一个计算资源进行任务分配，比第一种方法效率提高，但由于操作系统运行于其中一个处理器上，并未完全开发出多处理器的并行计算能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于相关性的任务优化部署方法保证了国产嵌入式实时操作系统在多处理器上并行运行的能力，实现各个CPU的负载平衡，保证各个CPU之间的协调运行，使多处理器的利用率达到最高，提高系统响应的实时性。
根据本发明提供的一种基于相关性的任务优化部署方法，采用的对称多处理器系统包括多个CPU，每个CPU都有专用的亲和性队列，包括如下步骤：
步骤1：当有新任务就绪时，判断新任务是否具有亲和性，若新任务具有亲和性，则进入步骤2，否则进入步骤3；
步骤2：将新任务放到亲和性队列中，判断亲和性CPU上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，若CPU上正在运行的任务不具有CPU亲和性，则置deferredCpuSet[CPU]＝1，nextCpuSet[CPU]＝1，deferredCpuSet[CPU]＝1表示重新调度时需要为被调度抢占的任务寻找新的CPU运行,nextCpuSet[CPU]＝1表示CPU需要进行重调度，同时退出；若CPU上正在运行的任务具有CPU亲和性，则退出；
步骤3：将新任务放到全局就绪队列中，寻找运行最低优先级任务的CPU，若寻找到比新任务优先级低的任务运行的CPU，则置nextCpuSet[CPU]＝1，同时退出，否则直接退出。
优选地，所述步骤1之前还包括如下步骤：
-获取CPU的索引号。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据新任务的亲和性属性获得CPU的索引号ix；
步骤2.2：将新任务插入到CPU ix的亲和性队列中，CPU ix表示索引号为ix的CPU；
步骤2.3：判断亲和性CPU ix上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，若CPU ix上正在运行的任务不具有CPU亲和性，则置deferredCpuSet[CPU]＝1、nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[ix]＝新任务，向CPU ix发送调度请求同时退出，其中，execTasks[ix]＝新任务，表示使CPU ix指向新任务；若CPU ix上正在运行的任务具有CPU亲和性，则退出。
优选地，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：将新任务插入到全局队列中；
步骤3.2：找到运行最低优先级任务的CPU iy，其中，CPU iy表示索引号为iy的CPU；
步骤3.3：判断新任务的优先级是否比正运行的任务高；若新任务的优先级比正运行的任务高，则置nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[iy]＝新任务,向CPU iy发送调度请求，其中，execTasks[iy]＝新任务，表示使CPU iy指向新任务。
优选地，步骤2或3中还包括如下步骤：查看execTasks[cpu_id]指向的新任务是否是编号为cpu_id的CPU上正在运行的任务，若不是，则执行CPU的切换，其中，execTasks[cpu_id]，表示使CPU cpu_id指向新任务，cpu_id表示CPU的索引号。
优选地，对称多处理器系统采用的是全局队列和局部队列混合的就绪队列编排模式的方法。
优选地，对称多处理器系统中设定一个CPU为预留CPU，预留CPU仅调度绑定在预留CPU上的任务，而不参与全局调度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明合理分配操作系统任务调度，使多个CPU负载平衡，充分利用硬件资源；
2、本发明通过任务调度队列的分配，使用全局队列和局部队列混合的就绪队列编排模式，同时满足实时调度中全局调度与绑定调度的需求；
3、本发明根据任务协同性与通信关系，引入CPU预留和绑定调度，使关键路径上的任务尽快执行结束，提高系统响应实时性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中SMP多处理器模型的示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中对称多处理任务调度流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提出的基于相关性的任务优化部署方法，能够合理分配操作系统任务调度，真正实现任务的并发运行，提高系统响应实时性，这就是对称多处理器系统(Symmetric MultiProcessor，SMP)。
如图1所示，对称多处理器系统，消除了当前两个操作系统的不对称型。在存储器中有一个操作系统的副本，但任何CPU都可以运行它。这种模型动态地平衡进程和存储器，因为它只有一套操作系统数据表。还消除了主CPU的瓶颈，因为不存在主CPU；但是这个模型需要对临界区进行保护，即当有多个进程同时访问这个临界区时，只有获得使用权的进程才可以继续运行，其他的进程需要等待已经获得使用权的进程释放他的使用权后再去相互竞争这个使用权。这使得操作系统分割成互不影响的临界区，每个临界区由互斥信号量保护，所以一次只有一个CPU可以执行。采用这种方式，可以实现更多的并行操作。
对称多处理器系统性能优劣很大程度上取决于调度器的性能。本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法采用的是全局队列和局部队列混合的就绪队列编排模式。对称多处理器系统任务调度器的工作被分散到各个处理器中，每个处理器的负责本处理器所执行任务的调度工作。默认情况下，任务可以运行在任意处理器上，但本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法允许将任务绑定到指定处理器上运行，即任务的CPU亲和性，直到其运行结束，这可保证具有相关性的任务在同一个CPU上运行。对于未设置CPU亲和性的任务，则采用全局队列机制将其调度到任一CPU上。
在本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法中，采用N+1全局调度方法，其中N为系统中CPU的数目。每个CPU都有专用的亲和性队列，具有CPU亲和性的任务都放置到亲和性队列中，系统中有N个亲和性队列；没有CPU亲和性的任务放置到全局队列当中。
首先定义几个全局变量：
execTasks[]：指向可能会切换到各个CPU上运行的任务，例如execTasks[id]为指向可能会切换到CPU id上运行的任务；taskIdCurrent[]：正在CPU上运行的任务，例如taskIdCurrent[id]指向正在CPU id上运行的任务；nextCpuSet：需要被调度的CPU集合，每一位对应一个CPU；deferredCpuSet：需要为被切换出去的任务分配处理器的CPU集合。
在调度方法中nextCpuSet和deferredCpuSet这两个位图是非常重要的，当任务A抢占正在CPU上运行的任务B时，需要将该CPU在nextCpuSet中对应位置为1，表示CPU需要进行重调度。而若任务B没有指定亲和性，则需要为任务B寻找新的可运行CPU，这时需要将该CPU在deferredCpuSet中相应位也置为1，表示重新调度时需要为被调度抢占的任务寻找新的CPU运行。
如图2、图3所示，本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法，对称多处理器系统包括多个CPU，每个CPU都有专用的亲和性队列，包括如下步骤：
步骤1：当有新任务就绪时，判断新任务是否具有亲和性，当新任务具有亲和性时，则触发步骤2，否则触发步骤3；
步骤2：将新任务放到亲和性队列中，判断亲和性CPU上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，当CPU上正在运行的任务不具有CPU亲和性时，则置deferredCpuSet[CPU]＝1，nextCpuSet[CPU]＝1，deferredCpuSet[CPU]＝1表示重新调度时需要为被调度抢占的任务寻找新的CPU运行,nextCpuSet[CPU]＝1表示CPU需要进行重调度，同时退出，当CPU上正在运行的任务具有CPU亲和性时，则退出；
步骤3：将新任务放到全局就绪队列中，寻找运行最低优先级任务的CPU，当寻找到比新任务优先级低的任务运行的CPU时，则置nextCpuSet[CPU]＝1，同时退出，否则直接退出。
所述步骤1之前还包括如下步骤：
-获取CPU的索引号。
所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据新任务的亲和性属性获得CPU的索引号ix；
步骤2.2：将新任务插入到CPU ix的的亲和性队列中；
步骤2.3：判断亲和性CPU上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，当CPU上正在运行的任务不具有CPU亲和性时，则置deferredCpuSet[CPU]＝1、nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[ix]＝新任务，向CPU ix发送调度请求同时退出，deferredCpuSet[CPU]＝1表示重新调度时需要为被调度抢占的任务寻找新的CPU运行,nextCpuSet[CPU]＝1表示CPU需要进行重调度，execTasks[ix]＝新任务表示使CPU ix指向新任务，当CPU上正在运行的任务具有CPU亲和性时，则退出；
所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：将新任务插入到全局队列中；
步骤3.2：找到运行最低优先级任务的CPU iy；
步骤3.3：判断新任务的优先级是否比正运行的任务高；当新任务的优先级比正运行的任务高时，则置nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[iy]＝新任务,向CPU iy发送调度请求，execTasks[iy]＝新任务表示使CPU iy指向新任务。
该方法的目的是设置execTasks[ix]使其指向新任务，并将nextCpuSet和deferredCpuSet中的响应标志位置为1，为后面执行任务切换做准备。
根据本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法，查看execTasks[cpu_id]指向的任务是否是编号cpu_id上正在运行的任务，如果不是的话，就执行真正的切换。任务执行调度的流程图见图3。
任务的调度可以分为两种，一种是全局调度，即就绪任务可以被调度到任意一个核上执行；二是绑定调度，即就绪任务会被调度到其指定运行的处理器上运行。当任务没有设置绑定的处理器时，将其放入全局就绪队列中，保证其基于优先级进行调度。对于指定调度处理器的任务，则将其放入局部就绪队列中，则保证其运行期间不会被调度到其他处理器上运行。一般情况下所有的处理器都参与全局调度，这样被绑定的任务在运行时仍然可能被高优先级的全局队列中的任务打断；但也可以特别指定一个核为预留核，这时此核调度绑定在本处理器上的任务，而不参与全局调度。
本发明提供的基于相关性的任务优化部署方法采用全局队列和局部队列混合的就绪队列编排模式。全局队列中的就绪任务可以被调度到所有处理器上运行，基于优先级进行调度。每个处理器都有一个局部队列，局部队列中存放的是绑定到本处理器的就绪任务，保证其不会被调度到其他处理器上运行。同时可以指定一个处理器为预留处理器，此处理器只调度绑定在本处理器上的任务运行，而不参与全局调度，即不会被全局队列中更高优先级的任务抢占。本发明是整体与局部辨证统一的，全局队列保证了系统任务的平等、公平竞争关系，每个任务可能被调度到各个处理器上运行，实现多处理的负载平衡；局部队列和处理器预留机制保证了系统中关键任务及时运行，系统的实时性得到充分保证。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种基于相关性的任务优化部署方法，采用的对称多处理器系统包括多个CPU，每个CPU都有专用的亲和性队列，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：当有新任务就绪时，判断新任务是否具有亲和性，若新任务具有亲和性，则进入步骤2，否则进入步骤3；
步骤2：将新任务放到亲和性队列中，判断亲和性CPU上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，若CPU上正在运行的任务不具有CPU亲和性，则置deferredCpuSet[CPU]＝1，nextCpuSet[CPU]＝1，deferredCpuSet[CPU]＝1表示重新调度时需要为被调度抢占的任务寻找新的CPU运行,nextCpuSet[CPU]＝1表示CPU需要进行重调度，同时退出；若CPU上正在运行的任务具有CPU亲和性，则退出；
步骤3：将新任务放到全局就绪队列中，寻找运行最低优先级任务的CPU，若寻找到比新任务优先级低的任务运行的CPU，则置nextCpuSet[CPU]＝1，同时退出，否则直接退出。
2.根据权利要求1所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括如下步骤：
-获取CPU的索引号。
3.根据权利要求1或2所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据新任务的亲和性属性获得CPU的索引号ix；
步骤2.2：将新任务插入到CPU ix的亲和性队列中，CPU ix表示索引号为ix的CPU；
步骤2.3：判断亲和性CPU ix上正在运行的任务是否具有CPU亲和性，若CPU ix上正在运行的任务不具有CPU亲和性，则置deferredCpuSet[CPU]＝1、nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[ix]＝新任务，向CPU ix发送调度请求同时退出，其中，execTasks[ix]＝新任务，表示使CPU ix指向新任务；若CPU ix上正在运行的任务具有CPU亲和性，则退出。
4.根据权利要求3所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：将新任务插入到全局队列中；
步骤3.2：找到运行最低优先级任务的CPU iy，其中，CPU iy表示索引号为iy的CPU；
步骤3.3：判断新任务的优先级是否比正运行的任务高；若新任务的优先级比正运行的任务高，则置nextCpuSet[CPU]＝1、execTasks[iy]＝新任务,向CPU iy发送调度请求，其中，execTasks[iy]＝新任务，表示使CPU iy指向新任务。
5.根据权利要求4所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，步骤2或3中还包括如下步骤：查看execTasks[cpu_id]指向的新任务是否是编号为cpu_id的CPU上正在运行的任务，若不是，则执行CPU的切换，其中，execTasks[cpu_id]，表示使CPU cpu_id指向新任务，cpu_id表示CPU的索引号。
6.根据权利要求1所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，对称多处理器系统采用的是全局队列和局部队列混合的就绪队列编排模式的方法。
7.根据权利要求1或5所述的基于相关性的任务优化部署方法，其特征在于，对称多处理器系统中设定一个CPU为预留CPU，预留CPU仅调度绑定在预留CPU上的任务，而不参与全局调度。
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