C++实现自定义调度器：在用户态进行线程/协程的优先级反转与抢占式调度 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始。

C++ 自定义用户态调度器：优先级反转与抢占式调度

大家好，今天我们要深入探讨一个高级主题：如何在 C++ 中实现一个自定义的用户态调度器，并重点关注优先级反转问题以及如何实现抢占式调度。传统的操作系统内核调度器有其局限性，例如上下文切换开销、内核态/用户态切换等。而用户态调度器能够规避这些问题，为特定应用提供更高的性能和更灵活的控制。

1. 线程/协程模型选择

首先，我们需要选择使用线程还是协程作为我们的调度对象。线程由操作系统内核管理，而协程则是在用户态模拟的轻量级线程。协程的切换开销远小于线程，但需要手动管理。

线程的优点: 操作系统支持，并发模型简单，编程习惯与传统多线程编程一致。
线程的缺点: 上下文切换开销大，内核态/用户态切换开销，线程数量受限。
协程的优点: 上下文切换开销极小，用户态管理，资源占用少，高并发能力。
协程的缺点: 需要手动管理，并发模型较复杂，容易出现阻塞问题。

考虑到高性能和控制的灵活性，我们选择协程作为我们的调度对象。

2. 协程的实现

一个基本的协程需要以下几个核心要素：

栈 (Stack): 用于保存协程的局部变量、函数调用信息等。
状态 (State): 表示协程的执行状态（例如：就绪、运行、阻塞、完成）。
上下文 (Context): 保存协程的寄存器信息，用于切换协程时恢复执行状态。

我们可以使用 ucontext.h 头文件提供的函数来实现协程的上下文切换。以下是一个简单的协程实现框架：

#include <iostream>
#include <ucontext.h>
#include <functional>
#include <vector>
#include <queue>
#include <algorithm>
#include <atomic>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class Coroutine {
public:
    enum State {
        READY,
        RUNNING,
        BLOCKED,
        FINISHED
    };

    Coroutine(std::function<void()> func, size_t stackSize = 1024 * 128) :
        func_(func),
        stack_(new char[stackSize]),
        stackSize_(stackSize),
        state_(READY)
    {
        getcontext(&context_);
        context_.uc_stack.ss_sp = stack_;
        context_.uc_stack.ss_size = stackSize_;
        context_.uc_link = nullptr; // 后续协程，这里先设置为nullptr
        makecontext(&context_, [] (void* arg) {
            Coroutine* coroutine = static_cast<Coroutine*>(arg);
            coroutine->func_();
            coroutine->state_ = FINISHED;
        }, this);
    }

    ~Coroutine() {
        delete[] stack_;
    }

    void resume() {
        state_ = RUNNING;
        swapcontext(&mainContext_, &context_);
    }

    void yield() {
        state_ = READY;
        swapcontext(&context_, &mainContext_);
    }

    State getState() const {
        return state_;
    }

private:
    std::function<void()> func_;
    char* stack_;
    size_t stackSize_;
    ucontext_t context_;
    State state_;
    static ucontext_t mainContext_; // 主协程的上下文
    friend class Scheduler;
};

ucontext_t Coroutine::mainContext_; // 初始化静态成员变量

代码解释:

Coroutine 类封装了协程的核心要素：函数 (func_)、栈 (stack_)、栈大小 (stackSize_)、上下文 (context_) 和状态 (state_)。
构造函数 Coroutine() 初始化协程的上下文，包括设置栈和关联执行函数。makecontext 函数用于创建协程的执行环境。
resume() 函数用于恢复协程的执行，它会将当前上下文（主协程）保存到 mainContext_ 中，并将协程的上下文加载到 CPU 中。
yield() 函数用于让出协程的执行权，它会将当前协程的上下文保存到 context_ 中，并将主协程的上下文加载到 CPU 中。
getState() 函数用于获取协程的状态。
mainContext_ 是一个静态成员变量，用于保存主协程的上下文。

3. 调度器的实现

调度器的核心任务是选择下一个要执行的协程，并切换到该协程。为了实现优先级调度，我们需要为每个协程分配一个优先级。为了实现抢占式调度，我们需要一个定时器来周期性地中断当前正在运行的协程。

class Scheduler {
public:
    enum Policy {
        FIFO,
        PRIORITY
    };

    Scheduler(Policy policy = PRIORITY) : policy_(policy) {}

    void addCoroutine(Coroutine* coroutine, int priority = 0) {
        if (policy_ == PRIORITY) {
            coroutineQueue_.push({priority, coroutine});
        } else {
            fifoQueue_.push(coroutine);
        }
    }

    void removeCoroutine(Coroutine* coroutine) {
      if (policy_ == PRIORITY) {
          // 移除优先级队列的元素比较复杂，这里简单实现，效率较低
          std::priority_queue<std::pair<int, Coroutine*>> tempQueue;
          while (!coroutineQueue_.empty()) {
              auto current = coroutineQueue_.top();
              coroutineQueue_.pop();
              if (current.second != coroutine) {
                  tempQueue.push(current);
              }
          }
          coroutineQueue_ = tempQueue;
      } else {
          // FIFO 队列移除元素也比较复杂，这里简单实现，效率较低
          std::queue<Coroutine*> tempQueue;
          while (!fifoQueue_.empty()) {
              Coroutine* current = fifoQueue_.front();
              fifoQueue_.pop();
              if (current != coroutine) {
                  tempQueue.push(current);
              }
          }
          fifoQueue_ = tempQueue;
      }
    }

    void run() {
        running_ = true;
        while (running_) {
            Coroutine* nextCoroutine = getNextCoroutine();
            if (nextCoroutine == nullptr) {
                if (policy_ == PRIORITY && coroutineQueue_.empty()) {
                    break; // No more coroutines to run
                }
                if (policy_ == FIFO && fifoQueue_.empty()) {
                  break;
                }
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1)); // 防止 CPU 占用过高
                continue;
            }

            currentCoroutine_ = nextCoroutine;
            currentCoroutine_->resume(); // 切换到下一个协程

            if (currentCoroutine_->getState() == Coroutine::FINISHED) {
              removeCoroutine(currentCoroutine_); // remove finished coroutine
              delete currentCoroutine_;
              currentCoroutine_ = nullptr;
            } else {
              currentCoroutine_ = nullptr;
            }
        }
    }

    void stop() {
        running_ = false;
    }

private:
    Coroutine* getNextCoroutine() {
        if (policy_ == PRIORITY) {
            if (!coroutineQueue_.empty()) {
                Coroutine* coroutine = coroutineQueue_.top().second;
                coroutineQueue_.pop();
                return coroutine;
            }
        } else {
            if (!fifoQueue_.empty()) {
                Coroutine* coroutine = fifoQueue_.front();
                fifoQueue_.pop();
                return coroutine;
            }
        }
        return nullptr;
    }

private:
    std::priority_queue<std::pair<int, Coroutine*>> coroutineQueue_; // 优先级队列，优先级越高，值越小
    std::queue<Coroutine*> fifoQueue_; // FIFO 队列
    bool running_ = false;
    Coroutine* currentCoroutine_ = nullptr;
    Policy policy_;
};

代码解释:

Scheduler 类负责管理协程的调度。
addCoroutine() 函数用于向调度器添加协程，并指定其优先级。优先级数字越小，优先级越高。
run() 函数是调度器的核心，它会不断地从协程队列中选择下一个要执行的协程，并切换到该协程。
getNextCoroutine() 函数用于从协程队列中选择下一个要执行的协程。如果使用优先级调度，它会选择优先级最高的协程。如果使用FIFO调度，它会选择队列头部的协程。
coroutineQueue_ 是一个优先级队列，用于存储就绪状态的协程。
fifoQueue_ 是一个 FIFO 队列，用于存储就绪状态的协程。
running_ 标志用于控制调度器的运行状态。
currentCoroutine_ 指针指向当前正在运行的协程。
Policy 枚举定义了调度策略：FIFO（先进先出）和 PRIORITY（优先级）。

4. 优先级反转问题

优先级反转是指一个低优先级任务持有一个高优先级任务需要的资源，导致高优先级任务被阻塞，而低优先级任务却在运行。这会导致高优先级任务的执行延迟，甚至无法完成。

示例:

假设有三个协程：A (高优先级)、B (中优先级) 和 C (低优先级)。

C 持有一个锁 L。
A 尝试获取锁 L，但被阻塞，A 进入 BLOCKED 状态。
B 开始运行，抢占了 C 的 CPU 时间。
由于 C 被 B 抢占，无法释放锁 L，A 一直处于阻塞状态。

在这种情况下，A (高优先级) 被 B (中优先级) 阻塞，发生了优先级反转。

5. 优先级反转的解决方案：优先级继承

优先级继承是一种解决优先级反转的常用方法。当高优先级任务被低优先级任务阻塞时，低优先级任务会临时继承高优先级任务的优先级，直到它释放所持有的资源。

实现步骤:

记录锁的持有者: 在锁的实现中，记录当前持有锁的协程。
检测阻塞: 当高优先级协程尝试获取被低优先级协程持有的锁时，检测到阻塞。
优先级继承: 将持有锁的低优先级协程的优先级提升到与被阻塞的高优先级协程相同的优先级。
优先级恢复: 当低优先级协程释放锁时，将其优先级恢复到原来的优先级。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <atomic>

class Mutex {
public:
    Mutex() : owner_(nullptr), originalPriority_(-1) {}

    void lock(Coroutine* coroutine) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (owner_ != nullptr) {
            // 检测优先级反转
            if (coroutine->priority_ < owner_->priority_) {
                // 优先级继承
                inheritPriority(coroutine);
            }
            cv_.wait(lock);
        }
        owner_ = coroutine;
    }

    void unlock(Coroutine* coroutine) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        if (owner_ == coroutine) {
            // 恢复优先级
            restorePriority();
            owner_ = nullptr;
            cv_.notify_one();
        }
    }

private:
    void inheritPriority(Coroutine* coroutine) {
        if (owner_ != nullptr && originalPriority_ == -1) {
            originalPriority_ = owner_->priority_;
            owner_->priority_ = coroutine->priority_;
        }
    }

    void restorePriority() {
        if (owner_ != nullptr && originalPriority_ != -1) {
            owner_->priority_ = originalPriority_;
            originalPriority_ = -1;
        }
    }

private:
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
    Coroutine* owner_;
    int originalPriority_;
};

代码解释:

Mutex 类实现了互斥锁，用于保护共享资源。
owner_ 成员变量记录当前持有锁的协程。
originalPriority_ 成员变量记录锁持有者的原始优先级，用于在释放锁时恢复优先级。
lock() 函数用于获取锁。如果锁已经被其他协程持有，则当前协程会进入等待状态。在等待过程中，会检测到优先级反转，并执行优先级继承。
unlock() 函数用于释放锁。释放锁时，会将锁持有者的优先级恢复到原始优先级。
inheritPriority() 函数用于执行优先级继承。它会将锁持有者的优先级提升到与等待锁的协程相同的优先级。
restorePriority() 函数用于恢复锁持有者的优先级。

集成到Coroutine类：

//在Coroutine类中添加priority成员变量
class Coroutine {
public:
  ...
  int priority_;
  ...
};

//在Coroutine的构造函数中初始化priority
Coroutine(std::function<void()> func, int priority, size_t stackSize = 1024 * 128) :
        func_(func),
        stack_(new char[stackSize]),
        stackSize_(stackSize),
        state_(READY),
        priority_(priority)
    {
        getcontext(&context_);
        context_.uc_stack.ss_sp = stack_;
        context_.uc_stack.ss_size = stackSize_;
        context_.uc_link = nullptr; // 后续协程，这里先设置为nullptr
        makecontext(&context_, [] (void* arg) {
            Coroutine* coroutine = static_cast<Coroutine*>(arg);
            coroutine->func_();
            coroutine->state_ = FINISHED;
        }, this);
    }

6. 抢占式调度

抢占式调度是指操作系统可以中断当前正在运行的任务，并将 CPU 时间分配给其他任务。这可以保证高优先级任务能够及时得到执行。

实现方法：

定时器: 使用定时器周期性地触发中断信号。
信号处理函数: 注册一个信号处理函数来处理中断信号。
上下文切换: 在信号处理函数中，保存当前协程的上下文，并切换到调度器，由调度器选择下一个要执行的协程。

#include <iostream>
#include <ucontext.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>

// 全局变量，指向当前调度器
Scheduler* g_scheduler = nullptr;
Coroutine* g_currentCoroutine = nullptr;

// 信号处理函数
void signalHandler(int signum) {
    if (g_scheduler && g_currentCoroutine) {
        // 保存当前协程的上下文
        g_currentCoroutine->state_ = Coroutine::READY;
        swapcontext(&g_currentCoroutine->context_, &Coroutine::mainContext_);
    }
}

// 初始化定时器
void initTimer(int interval_ms) {
    struct sigaction sa;
    struct itimerval timer;

    // 设置信号处理函数
    sa.sa_handler = signalHandler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGALRM, &sa, NULL);

    // 设置定时器间隔
    timer.it_interval.tv_sec = 0;
    timer.it_interval.tv_usec = interval_ms * 1000; // 10ms
    timer.it_value.tv_sec = 0;
    timer.it_value.tv_usec = interval_ms * 1000; // 立即启动

    // 启动定时器
    setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL);
}

代码解释:

signalHandler() 函数是信号处理函数，当定时器到期时，该函数会被调用。在该函数中，我们保存当前协程的上下文，并切换到主协程。
initTimer() 函数用于初始化定时器。它会设置信号处理函数，并设置定时器的间隔时间。

修改Scheduler::run():

    void run() {
        running_ = true;
        g_scheduler = this; // 设置全局调度器指针
        initTimer(10); // 初始化定时器，10ms 间隔

        while (running_) {
            Coroutine* nextCoroutine = getNextCoroutine();
            if (nextCoroutine == nullptr) {
                if (policy_ == PRIORITY && coroutineQueue_.empty()) {
                    break; // No more coroutines to run
                }
                if (policy_ == FIFO && fifoQueue_.empty()) {
                  break;
                }
                std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1)); // 防止 CPU 占用过高
                continue;
            }

            currentCoroutine_ = nextCoroutine;
            g_currentCoroutine = currentCoroutine_; // 设置全局当前协程指针
            currentCoroutine_->resume(); // 切换到下一个协程

            g_currentCoroutine = nullptr;

            if (currentCoroutine_->getState() == Coroutine::FINISHED) {
              removeCoroutine(currentCoroutine_); // remove finished coroutine
              delete currentCoroutine_;
              currentCoroutine_ = nullptr;
            } else {
              addCoroutine(currentCoroutine_, currentCoroutine_->priority_); //重新加入队列
              currentCoroutine_ = nullptr;
            }
        }

        // 停止定时器 (可选)
        initTimer(0); // 设置 interval 为 0，停止定时器
        g_scheduler = nullptr;
    }

代码解释:

在 Scheduler::run() 函数中，我们首先设置全局调度器指针 g_scheduler。
然后，我们调用 initTimer() 函数来初始化定时器。
在调度循环中，我们选择下一个要执行的协程，并将其赋值给全局当前协程指针 g_currentCoroutine。
然后，我们调用 currentCoroutine_->resume() 函数来恢复协程的执行。
当协程让出 CPU 或者定时器中断发生时，signalHandler() 函数会被调用，并将协程切换回调度器。
在 run() 函数的最后，我们停止定时器，并将全局调度器指针 g_scheduler 设置为 nullptr。

7. 测试代码

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>

int main() {
    Scheduler scheduler(Scheduler::PRIORITY);

    // 创建协程 A (高优先级)
    Coroutine* coroutineA = new Coroutine([&]() {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout << "Coroutine A: " << i << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
        }
    }, 1); // 优先级 1

    // 创建协程 B (低优先级)
    Coroutine* coroutineB = new Coroutine([&]() {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            std::cout << "Coroutine B: " << i << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
        }
    }, 5); // 优先级 5

    // 添加协程到调度器
    scheduler.addCoroutine(coroutineA, 1);
    scheduler.addCoroutine(coroutineB, 5);

    // 运行调度器
    scheduler.run();

    return 0;
}

8. 总结：协程调度器的基本实现

我们讨论了如何使用 C++ 实现一个自定义的用户态协程调度器，包括协程的创建、切换、优先级反转的解决方案（优先级继承）以及抢占式调度的实现。通过用户态调度器，我们可以更好地控制并发行为，并提高特定应用的性能。

9. 优化方向：更多的调度算法

除了优先级调度和FIFO调度之外，还可以考虑其他的调度算法，例如：

最短作业优先 (SJF): 优先执行剩余执行时间最短的协程。
轮询调度 (Round Robin): 为每个协程分配固定的时间片，轮流执行。
多级反馈队列 (MLFQ): 维护多个优先级队列，根据协程的行为动态调整其优先级。

10. 扩展功能：同步机制

除了互斥锁之外，还可以实现其他的同步机制，例如：

信号量 (Semaphore): 控制对资源的并发访问数量。
条件变量 (Condition Variable): 允许协程在满足特定条件时被唤醒。
读写锁 (Read-Write Lock): 允许多个协程同时读取共享资源，但只允许一个协程写入共享资源。

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C++ 自定义用户态调度器：优先级反转与抢占式调度

1. 线程/协程模型选择

2. 协程的实现

3. 调度器的实现

4. 优先级反转问题

5. 优先级反转的解决方案：优先级继承

6. 抢占式调度

7. 测试代码

8. 总结：协程调度器的基本实现

9. 优化方向：更多的调度算法

10. 扩展功能：同步机制

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