CN116107716A - 基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法 - Google Patents

基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法 Download PDF

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Abstract

一种基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，属于处理器任务调度技术领域。本发明针对现有多核处理器实时任务的调度方法不能根据处理器利用率的实时变化进行调整，使资源不能得到有效分配的问题。包括：设置多核处理器的任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin，根据当前任务利用率与δmax和δmin的比较结果，动态确定多核处理器的处理器分组数；在每个调度周期开始之前，将资源利用率超过资源利用率最大值的处理器分组的阻塞队列中关键度最小的任务作为等待迁移的关键任务，迁移到目的处理器分组的就绪队列的队列头部；目的处理器分组是所有处理器分组中资源利用率最小的分组。本发明用于实时任务调度。

Description

基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法
技术领域
本发明涉及基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，属于处理器任务调度技术领域。
背景技术
随着科技的进步和发展，计算机技术突飞猛进，从原来的单核处理器系统到现在的多核处理器系统，计算机可以同时处理更多的任务。人们在对计算机提出更快更精确的处理要求的同时，还要求保证系统的服务质量，如此一来，越来越多的任务有了时间的限制，这种实时性任务被广泛的应用。各种航空器，车载系统以及视频传输等多媒体应用都在采用实时性任务，专门处理实时任务的算法和系统研究也应运而生。
实时系统是这样定义的：实时系统是指系统的正确性不仅由计算的逻辑正确性决定，还由产生结果的时间决定；若未满足系统的时间约束，则认为系统失效。从上述定义看，实时系统是指在某个规定的时间段内，系统在截止期之前完成指定的任务，并对外界或自身时间做出响应。实时系统存在于各个领域中：在航电系统中，飞行器必须在精确时间内完成任务；在汽车控制系统中，用于汽车发动以及引擎控制的各部件都必须有严格的时间基准；在大型虚拟集群系统中，多个虚拟机必须保持精确的时间同步才能保证应用的顺利执行。
实时系统通常分为硬实时系统和软实时系统，区分准则为对时间要求的苛刻程度。两者之间最大的区别在于截止期(deadline)这个概念。硬实时系统的强实时任务对时间限制十分严格，它不允许任何超过截止期的错误，也就是说不允许任何一个作业错过截止期。这种超时错误会带给系统毁灭性的后果。这种任务在车载系统和航空器中较为常见，往往从系统开启时就开始运行，一直运行到系统结束或者手动退出。软实时系统的弱实时任务也是对时间要求较高的一种，和强实时任务一样，每个弱实时任务都有一个截止时间(Deadline)，但是弱实时任务的要求与强实时任务不一样，软实时系统是一个相对灵活的系统，它可以接纳一部分的超时现象，超时造成的影响相对整体系统的执行并不严重，只会影响系统的吞吐量等指标。但是这种超过截止时间的情况不能太多，否则就失去了作为实时任务的意义，往往限制为在每个时间段内任务实例超过截止时间的次数要不大于某个阈值，这个阈值根据实际运行条件设置。
多核处理器全局最早截止期优先调度策略允许任务的抢占和任务在处理器之间迁移，频繁的抢占和核间迁移会导致较高的处理器开销，造成系统资源的浪费。然而目前针对多核处理器的可调度性分析方法都基于这样的假设：任务抢占和系统间迁移的开销计入最差响应时间或者忽略不计。但是实际研究表明该部分的开销在系统资源总开销中占重要部分，因此不可简单的忽略不计。而不可抢占调度，会给高优先级任务代入太多的阻塞从而导致其不可被调度。
全局调度与划分调度各有利弊。在系统资源的使用方面，全局调度具有更好的负载平衡特性。当系统中存在待处理任务的情况下，全局调度不会让系统中的处理器空闲，从而可更好的利用系统资源。但是在划分调度方法中，因为指定在一个处理器上的任务不能迁移到其他处理器，当一个处理器上运行的就绪任务因为处理器被占用而等待的时候其他处理器上的空闲计算资源并不能被使用，造成了资源浪费。
在调度器的运行开销方面，全局调度的开销大于划分调度。在全局调度中，所有的任务在统一的调度队列上管理，运行队列被全局共享。一方面，不同处理器上运行的并行任务对共享队列的访问需要负担同步数据内容与维护访问一致性的开销。另一方面，随着多核系统中计算核的増多，系统中所处理的任务数随之增多，这样全局队列的任务规模也相应増加，由此与任务队列操作相关的操作如任务捜索、访问同步等开销也相应的增加。全局调度还需要在不同计算核间执行任务迁移，这还会带来核间数据迁移方面的开销。而在划分调度中，调度的过程与单处理调度没有区别，不需要考虑类似多处理器调度的开销问题。
综合全局调度与划分调度的各自优点，研究者又提出了半划分调度。在半划分调度中，任务被分成了两部分。一部分任务按照划分调度中的方法被预先分配到固定的处理器上，剩下的一小部分任务按照某种策略可运行在多个处理器上。半划分调度保留了划分调度的调度优点，同时增强了系统的负载平衡，可实现比划分调度更好的资源利用率。但是这种方法依然不能根据处理器利用率的实时变化，进行任务的实时调度。
发明内容
针对现有多核处理器实时任务的调度方法不能根据处理器利用率的实时变化进行调整，使资源不能得到有效分配的问题，本发明提供一种基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法。
本发明的一种基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，包括，
设置多核处理器的任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin，根据当前任务利用率与任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin的比较结果，动态确定多核处理器的处理器分组数，使处理器分组数与当前任务利用率呈线性映射关系；
在每个调度周期开始之前，将资源利用率超过资源利用率最大值的处理器分组的阻塞队列中关键度最小的任务作为等待迁移的关键任务，迁移到目的处理器分组的就绪队列的队列头部；目的处理器分组是所有处理器分组中资源利用率最小的分组。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，在当前任务利用率低于任务利用率下限阈值δmin时，处理器分组数等于多核处理器的核心数；
在当前任务利用率处于任务利用率下限阈值δmin与任务利用率上限阈值δmax之间时，随着当前任务利用率的增加，处理器分组数由小于核心数至大于1之间逐渐减少；
在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，处理器分组数为常数1。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，所述关键任务为优先级最高的任务。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，每个处理器分组对应一个就绪队列和一个阻塞队列。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，就绪队列和阻塞队列中的实时任务按照截止期的先后顺序排序。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，目的处理器分组的就绪队列中，当前任务为可抢占任务。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，根据处理器分组数确定多核处理器的内核分配组合。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，每个处理器分组按照截止期优先原则对实时任务分配资源并完成调度。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，实时任务采用全局最早截止期优先调度策略统一进行多核心调度。
根据本发明的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，对于迁入关键任务的就绪队列，通过调用主调用函数选择就绪队列中优先级最高的任务执行。
本发明的有益效果：本发明方法可实现多核处理器资源自适应划分的动态分组，使在多核心处理器条件下，能够有效利用处理器的资源，并且尽最大可能保证较高的多核处理器的有效利用率，同时满足任务的实时调度性能。本发明方法通过对实时调度任务的处理器资源预估和多核处理器空闲资源的对比，动态建立处理器分组，实现实时调度任务资源的有效分配和利用。与普通的基于EDF(最早截止期优先调度)的算法相比，具有如下优势：
(1)运行过程中实行对多核处理器资源进行动态规划，有效分配资源，达到资源的最大利用率分配；
(2)本发明方法能够针对实时任务的不同情况，选择任务失败率较低的处理器组合方案，并基于反馈机制进行动态自适应调度，增强了多核心处理器资源分配的可用性和有效性。
本发明方法通过对实时调度任务的处理器资源预估和多核处理器空闲资源的对比，动态建立处理器分组，实现了实时调度任务资源的有效分配和利用。
附图说明
图1是本发明所述基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法的流程图；
图2是多核处理器的处理器分组数α与当前任务利用率δ的映射关系图；图中m为多核处理器的核心数。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，包括，
设置多核处理器的任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin，根据当前任务利用率与任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin的比较结果，动态确定多核处理器的处理器分组数，使处理器分组数与当前任务利用率呈线性映射关系；
在每个调度周期开始之前，将资源利用率超过资源利用率最大值的处理器分组的阻塞队列中关键度最小的任务作为等待迁移的关键任务，迁移到目的处理器分组的就绪队列的队列头部；目的处理器分组是所有处理器分组中资源利用率最小的分组。
本实施方式针对实时任务，不考虑偶发任务。包括：任务的资源匹配、自适应分配调度组合以及紧急资源的组间可抢占式迁移处理。
在初始状态，根据初始处理器资源分组对任务进行分配，并基于任务的截止期进行优先级的划分，再根据任务的优先级有序调度。δmax和δmin根据可用处理器核心数量预先设置。当处理器资源利用率提高，任务并行度增大时，在当前周期内，实时任务调度对处理器等资源的需求增大；在下一次新任务到达时，本发明方法的自适应划分的可限制性抢占式实时调度方法对资源动态进行调度组合，重新组合分配处理器资源，动态分组改变处理器的组合以实现分组负载的均衡，降低实时任务的截止期错失率。
进一步，结合图2所示，在当前任务利用率低于任务利用率下限阈值δmin时，处理器分组数等于多核处理器的核心数，此时采用全划分式调度方法；
在当前任务利用率处于任务利用率下限阈值δmin与任务利用率上限阈值δmax之间时，随着当前任务利用率的增加，处理器分组数由小于核心数至大于1之间逐渐减少；任务利用率增加会导致分组数减少，内核通过控制减少分组，均衡实时任务负载，以降低实时任务调度的截止期错失率；
在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，处理器分组数为常数1，即不产生分组，变为传统的G-EDF(全局最早截止期优先调度策略)，所有任务会在全局队列统一进行多核心调度。
本实施方式中，处理器分组数可以进行自适应调整。在保持较低系统额外开销的前提下，本实施方式的自适应划分的可限制性抢占式实时调度方法通过动态改变资源分组数，以降低实时任务调度的截止期错失率。
进一步，所述关键任务为优先级最高的任务。
每个处理器分组对应一个就绪队列和一个阻塞队列。
就绪队列和阻塞队列中的实时任务按照截止期的先后顺序排序。
目的处理器分组的就绪队列中，当前任务为可抢占任务。
本实施方式中，根据处理器分组数确定多核处理器的内核分配组合。
每个处理器分组按照截止期优先原则对实时任务分配资源并完成调度。
再进一步，在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，实时任务采用全局最早截止期优先调度策略统一进行多核心调度。
对于迁入关键任务的就绪队列，通过调用主调用函数选择就绪队列中优先级最高的任务执行。
组间任务迁移：
组内任务调度以独立队列为基础，每组维护一个运行队列。由于任务一旦执行无法中断，尽管处理器分组内总的空闲利用率大于新任务的利用率，但不能为新到来的任务提供完整的一段周期，从而会导致新任务不可调度。本发明方法统计每个分组内独立队列中关键度最小的任务，将资源利用率超过最大值的队列上的任务迁移到其他队列上去，通过组间任务迁移以实现负载均衡，优化各组独立队列的空闲利用率，使得任务可调度。
对于处理器的每个分组，其包含一个schedule(就绪)队列和一个freedom(阻塞)队列。当需要组间任务迁移时，位于schedule队列中的任务不需要移动；将freedom队列中关键度最小即优先级最高的任务进行迁移。组间任务迁移的过程包含两步，一是选择处理器分组中需要迁移的关键度最小的任务，二是选择资源利用率较轻的处理器分组作为接受任务的分组，并迁移任务。
本发明方法定义关键度评估任务的紧迫程度，在每次调度周期之前选择利用率较高的分组队列中的关键任务迁移到利用率较低的目的分组队列中，对于freedom队列中等待调度并且关键度最小的关键任务需要最先释放，以降低系统内实时任务的截止期错失率。关键任务应该最先被执行，若此时得不到执行将会导致不可调度。同时，若队列中符合定义的关键任务较多，将导致该队列的利用率过重。本发明方法在每个调度周期之前选择freedom队列中的关键任务迁移到目的队列中。
为保证被迁移到其他队列的任务能够立即得到执行，目的队列的当前任务必须是可抢占的，即目的队列的当前任务不是关键任务。
本发明方法的具体实施步骤：
步骤1：在算法执行初始阶段，通过当前任务利用率计算分组数，由分组数确定内核分配组合；
步骤2：当任务转为实时模式并通过系统接口传入内核，将任务按照截止期的先后插入到相应schedule队列和freedom队列；
步骤3：查看所有分组的资源利用率，与资源利用率的设定阈值作比较，若存在大于最大阈值的队列，执行步骤4；否则，执行步骤7；
步骤4：查看freedom队列中各实时任务的关键度，选择关键度最小的任务作为等待迁移任务；
步骤5：判断其余分组队列中的资源利用率，选择资源利用率最小的schedule队列为目的队列，将该任务插入到队列头部；
步骤6：迁移关键任务到目的队列中，调用主调用函数，选择下一个执行的任务；
步骤7：各分组内依照截止期优先原则对实时任务分配资源并完成调度；
步骤8：判断当前任务集中的所有任务是否被执行完，若没有执行完，则返回到步骤2；否则，继续等待下次任务的释放。
算法执行过程中，资源的分组只是在每次传递新任务时进行，有效避免了内核过度频繁的分组，因此可以降低不必要的开销损失。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于包括，
设置多核处理器的任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin，根据当前任务利用率与任务利用率上限阈值δmax和任务利用率下限阈值δmin的比较结果，动态确定多核处理器的处理器分组数，使处理器分组数与当前任务利用率呈线性映射关系；
在每个调度周期开始之前，将资源利用率超过资源利用率最大值的处理器分组的阻塞队列中关键度最小的任务作为等待迁移的关键任务，迁移到目的处理器分组的就绪队列的队列头部；目的处理器分组是所有处理器分组中资源利用率最小的分组。
2.根据权利要求1所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
在当前任务利用率低于任务利用率下限阈值δmin时，处理器分组数等于多核处理器的核心数；
在当前任务利用率处于任务利用率下限阈值δmin与任务利用率上限阈值δmax之间时，随着当前任务利用率的增加，处理器分组数由小于核心数至大于1之间逐渐减少；
在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，处理器分组数为常数1。
3.根据权利要求2所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，所述关键任务为优先级最高的任务。
4.根据权利要求3所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
每个处理器分组对应一个就绪队列和一个阻塞队列。
5.根据权利要求4所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
就绪队列和阻塞队列中的实时任务按照截止期的先后顺序排序。
6.根据权利要求5所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
目的处理器分组的就绪队列中，当前任务为可抢占任务。
7.根据权利要求6所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
根据处理器分组数确定多核处理器的内核分配组合。
8.根据权利要求7所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
每个处理器分组按照截止期优先原则对实时任务分配资源并完成调度。
9.根据权利要求8所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
在当前任务利用率高于任务利用率上限阈值δmax时，实时任务采用全局最早截止期优先调度策略统一进行多核心调度。
10.根据权利要求9所述的基于容器自适应划分的限制性可抢占式实时任务调度方法，其特征在于，
对于迁入关键任务的就绪队列，通过调用主调用函数选择就绪队列中优先级最高的任务执行。
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