Project Loom 协作式调度与 Linux CFS 调度器：优先级反转及SchedAttr/SCHED_FIFO的影响
各位同学，大家好。今天我们来深入探讨一个非常有趣且重要的主题：Project Loom 的协作式调度与 Linux CFS 调度器的交互，以及在这种交互下可能出现的优先级反转问题。我们将深入分析 SchedAttr 和 SCHED_FIFO 实时策略如何影响 Loom Fiber 的调度行为，并提供相应的代码示例和解决方案。
Project Loom 与 Fiber 的基础概念
首先，我们需要明确 Project Loom 和 Fiber 的基本概念。Project Loom 是 Java 平台的一个项目，旨在引入轻量级线程（Virtual Threads，也称为 Fiber）以提高并发性能。Fiber 并非由操作系统内核直接管理，而是由 Java 虚拟机（JVM）在用户空间进行调度。这种调度方式被称为协作式调度。
与传统的操作系统线程（Kernel Threads）相比，Fiber 的创建和切换成本非常低廉。一个 Kernel Thread 可以同时运行多个 Fiber。当一个 Fiber 执行阻塞操作时，它会主动让出 CPU，允许其他 Fiber 继续执行。这种协作式的特性使得 Fiber 在处理大量并发请求时能够显著提高性能。
// 创建并启动一个 Fiber
import jdk.incubator.concurrent.StructuredTaskScope;
import jdk.incubator.concurrent.ScopedValue;
public class FiberExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ScopedValue<String> message = ScopedValue.newInstance();
Runnable task = () -> {
System.out.println("Fiber running: " + Thread.currentThread().getName() + ", Message: " + message.get());
try {
Thread.sleep(100); // 模拟阻塞操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Fiber finished: " + Thread.currentThread().getName());
};
Thread.ofVirtual().start(ScopedValue.where(message, "Hello from main!", task)); // 启动Fiber 并传递ScopedValue
Thread.sleep(200);
System.out.println("Main thread finished.");
}
}这段代码展示了如何创建一个 Fiber 并执行一个简单的任务。Fiber 的创建和启动使用了 Thread.ofVirtual() 方法。任务中模拟了一个阻塞操作，展示了 Fiber 如何在阻塞时让出 CPU。
Linux CFS 调度器简介
Linux Completely Fair Scheduler (CFS) 是 Linux 内核默认的进程调度器。CFS 的目标是为每个进程分配公平的 CPU 时间片。它使用红黑树来维护进程的运行状态，并根据进程的虚拟运行时间 (virtual runtime) 来决定下一个要执行的进程。
CFS 的一个重要特性是基于优先级的加权公平调度。每个进程都有一个 nice 值，用于表示其优先级。nice 值越小，优先级越高。CFS 会根据进程的 nice 值来调整其 CPU 时间片的分配比例。
CFS 调度器对线程进行调度时，并不知道哪些线程是 Fiber。它只知道 Kernel Thread。因此，CFS 只能调度 Kernel Thread，而 Kernel Thread 内部的 Fiber 调度由 JVM 负责。
优先级反转问题
现在，我们来讨论优先级反转问题。优先级反转是指一个高优先级任务因为等待一个低优先级任务释放资源而被阻塞，导致高优先级任务的执行被延迟。
在 Project Loom 的场景下，如果一个高优先级的 Fiber 运行在一个低优先级的 Kernel Thread 上，而这个 Kernel Thread 又因为 CFS 的调度而被延迟执行，那么高优先级的 Fiber 也会受到影响。这就是一种形式的优先级反转。
更具体地说，假设我们有两个 Fiber，Fiber A 和 Fiber B。Fiber A 的优先级高于 Fiber B。它们运行在同一个 Kernel Thread 上。Fiber A 需要访问一个被 Fiber B 持有的锁。由于 Fiber B 运行在同一个 Kernel Thread 上，Fiber A 必须等待 Fiber B 释放锁。
如果这个 Kernel Thread 的优先级较低，CFS 可能会优先调度其他 Kernel Thread，导致 Fiber B 无法及时释放锁，从而阻塞 Fiber A 的执行。即使 Fiber A 的优先级高于 Fiber B，它仍然会受到低优先级 Kernel Thread 的影响。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class PriorityInversionExample {
private static final Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建两个 Fiber
Thread fiberA = Thread.ofVirtual().name("Fiber-A").start(() -> {
System.out.println("Fiber A: Trying to acquire lock");
lock.lock();
try {
System.out.println("Fiber A: Acquired lock");
Thread.sleep(200); // 模拟长时间持有锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("Fiber A: Releasing lock");
lock.unlock();
}
});
Thread fiberB = Thread.ofVirtual().name("Fiber-B").start(() -> {
try {
Thread.sleep(50); // 稍作延迟，确保Fiber A先获取锁
System.out.println("Fiber B: Trying to acquire lock");
lock.lock();
try {
System.out.println("Fiber B: Acquired lock");
// do some work
} finally {
System.out.println("Fiber B: Releasing lock");
lock.unlock();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
fiberA.join();
fiberB.join();
System.out.println("Main thread finished.");
}
}在这个例子中，Fiber A 和 Fiber B 运行在同一个 Kernel Thread 上。Fiber A 首先获取锁，然后模拟长时间持有锁。Fiber B 尝试获取锁，但必须等待 Fiber A 释放锁。如果这个 Kernel Thread 的优先级较低，Fiber B 的执行可能会被延迟，从而导致 Fiber A 的执行也被延迟。
SchedAttr 与 SCHED_FIFO 实时策略
Linux 提供了一些机制来调整进程的调度优先级，以缓解优先级反转问题。其中，SchedAttr 和 SCHED_FIFO 是两种常用的方法。
SchedAttr 是一个用于设置进程调度属性的 API。它允许我们设置进程的调度策略、优先级和其他调度参数。通过 SchedAttr，我们可以将 Kernel Thread 的调度策略设置为实时策略，例如 SCHED_FIFO 或 SCHED_RR。
SCHED_FIFO 是一种先进先出 (First-In-First-Out) 的实时调度策略。当一个进程被设置为 SCHED_FIFO 策略时，它会一直运行，直到主动让出 CPU 或者被更高优先级的进程抢占。SCHED_FIFO 策略可以有效地防止优先级反转，因为它确保了高优先级进程能够及时获得 CPU 时间。
然而，使用 SCHED_FIFO 策略需要谨慎。如果一个 SCHED_FIFO 进程长时间占用 CPU，可能会导致其他进程无法获得 CPU 时间，从而影响系统的整体性能。
如何使用 SchedAttr 和 SCHED_FIFO
我们可以使用 sched_setattr 系统调用来设置进程的调度属性。sched_setattr 函数需要一个 sched_attr 结构体作为参数，其中包含了进程的调度策略、优先级和其他调度参数。
以下是一个使用 sched_setattr 和 SCHED_FIFO 策略的 C 代码示例：
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
struct sched_attr {
unsigned int size;
int sched_policy;
unsigned long sched_flags;
int sched_priority;
/* 其他字段，例如 cpu_mask 等 */
};
int sched_setattr(pid_t pid, const struct sched_attr *attr, unsigned int flags) {
return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
}
int main() {
struct sched_attr attr;
memset(&attr, 0, sizeof(attr));
attr.size = sizeof(attr);
attr.sched_policy = SCHED_FIFO;
attr.sched_priority = 50; // 设置实时优先级 (1-99)
if (sched_setattr(0, &attr, 0) < 0) {
perror("sched_setattr");
return 1;
}
printf("Successfully set SCHED_FIFO policy with priority 50.n");
// 运行一些计算密集型任务
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
// 模拟计算
}
printf("Finished computation.n");
return 0;
}这段代码将当前进程的调度策略设置为 SCHED_FIFO，并将优先级设置为 50。需要注意的是，只有 root 用户才能设置 SCHED_FIFO 策略。此外，实时优先级的范围是 1 到 99，数值越大优先级越高。
注意： 直接从 Java 代码中调用 sched_setattr 系统调用比较复杂，通常需要使用 JNI (Java Native Interface)。更好的方法是在启动 JVM 之前，使用 chrt 命令或者其他工具来设置 Kernel Thread 的调度策略。
代码示例：使用 chrt 命令
chrt 命令是一个用于设置进程调度策略的 Linux 工具。我们可以使用 chrt 命令将 Kernel Thread 的调度策略设置为 SCHED_FIFO。
例如，以下命令将进程 ID 为 1234 的进程的调度策略设置为 SCHED_FIFO，并将优先级设置为 50：
chrt -f -p 50 1234其中，-f 表示使用 SCHED_FIFO 策略，-p 表示设置优先级。
为了在启动 JVM 之前设置 Kernel Thread 的调度策略，我们可以将 chrt 命令添加到启动脚本中。例如：
#!/bin/bash
# 设置 SCHED_FIFO 策略
chrt -f -p 50 $$
# 启动 JVM
java -jar myapp.jar在这个脚本中，$$ 表示当前脚本的进程 ID。chrt 命令会在启动 JVM 之前将当前脚本的调度策略设置为 SCHED_FIFO。
分析与权衡
虽然使用 SCHED_FIFO 策略可以有效地防止优先级反转，但也需要权衡其对系统整体性能的影响。SCHED_FIFO 策略会确保高优先级进程能够及时获得 CPU 时间，但也可能导致其他进程无法获得 CPU 时间。
因此，在使用 SCHED_FIFO 策略时，我们需要仔细评估应用程序的需求，并根据实际情况进行调整。如果应用程序对实时性要求非常高，并且可以接受一定的性能损失，那么可以考虑使用 SCHED_FIFO 策略。如果应用程序对实时性要求不高，或者需要保证系统的整体性能，那么可以考虑使用 CFS 调度器，并调整进程的 nice 值来优化调度。
此外，还可以考虑使用其他技术来缓解优先级反转问题，例如优先级继承 (priority inheritance) 和优先级天花板 (priority ceiling)。这些技术可以自动地调整进程的优先级，以避免优先级反转。
Loom 的局限与挑战
虽然 Project Loom 带来了许多优势，但也存在一些局限和挑战。
- 协作式调度的局限性： 协作式调度依赖于 Fiber 主动让出 CPU。如果一个 Fiber 长时间占用 CPU，而没有主动让出 CPU，那么其他 Fiber 就会被阻塞。这可能会导致性能问题。
- 与 Native 代码的交互： 如果 Fiber 调用了 Native 代码，而 Native 代码执行了阻塞操作，那么整个 Kernel Thread 都会被阻塞。这可能会影响其他 Fiber 的执行。
- 调试和诊断： 由于 Fiber 运行在用户空间，调试和诊断 Fiber 相关的问题可能会比较困难。我们需要使用专门的工具来分析 Fiber 的运行状态。
- 与现有库的兼容性： 一些现有的 Java 库可能没有针对 Fiber 进行优化。在使用这些库时，可能会遇到性能问题。
应对之道：设计原则与策略选择
针对上述问题，我们需要采取一些措施来应对。
- 避免长时间占用 CPU 的 Fiber： 在设计 Fiber 时，应该尽量避免长时间占用 CPU 的 Fiber。如果一个 Fiber 需要执行计算密集型任务，可以将其分解为多个小的任务，并定期让出 CPU。
- 使用非阻塞 I/O： 尽可能使用非阻塞 I/O 操作，以避免阻塞 Kernel Thread。Java NIO (New I/O) 提供了一组非阻塞 I/O API。
- 使用专门的工具进行调试和诊断： 使用专门的工具来分析 Fiber 的运行状态。例如，可以使用 Java Flight Recorder (JFR) 来记录 Fiber 的执行情况。
- 评估现有库的兼容性： 在使用现有库之前，应该评估其与 Fiber 的兼容性。如果发现性能问题，可以考虑使用其他库，或者对现有库进行优化。
表格总结：CFS与SCHED_FIFO对比
| 特性 | CFS (Completely Fair Scheduler) | SCHED_FIFO (First-In-First-Out) |
|---|---|---|
| 调度策略 | 基于虚拟运行时间的公平调度 | 实时调度，优先级高的先运行 |
| 适用场景 | 通用场景，保证公平性 | 对实时性要求高的场景 |
| 优先级 | nice 值 (-20 到 19) | 实时优先级 (1 到 99) |
| 权限要求 | 普通用户可调整 nice 值 | 需要 root 权限 |
| 优先级反转缓解 | 优先级继承等机制 | 避免优先级反转，但不保证公平性 |
| 系统影响 | 对系统整体性能影响较小 | 可能导致其他进程饥饿 |
重视对系统调度的影响
Project Loom 的 Fiber 为 Java 并发编程带来了新的可能性，但也引入了一些新的挑战。我们需要深入理解 Fiber 的调度行为，以及与 Linux CFS 调度器的交互，才能充分利用 Fiber 的优势，并避免潜在的问题。理解这些概念，并结合实际场景进行测试和优化，才能写出高效、稳定的并发程序。希望今天的讲解对大家有所帮助。