Linux线程优先级详解

Linux线程优先级是一个程序相对执行于其他程序的速度和等待的时间的指标。通过调整线程优先级，可以影响程序的性能和响应时间。本文将从多个方面对Linux线程优先级做详细的阐述。

一、进程与线程

在讲解Linux线程优先级之前，需要先了解进程和线程的概念。进程是程序在操作系统中的一个执行实例，拥有独立的内存空间和系统资源。每个进程都是独立的，它们不能直接访问其他进程的内存。

线程是进程的执行单元，每个线程都是进程中的一个独立流程，它们共享进程的内存和资源，但在某些方面也具有一些独立性。一个进程中可以包含多个线程，线程可以并发执行。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void *function(void *arg) {
    printf("Thread is running!\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    printf("Before Thread\n");
    pthread_create(&thread_id, NULL, &function, NULL);
    pthread_join(thread_id, NULL);
    printf("After Thread\n");
    exit(0);
}

二、线程优先级

线程优先级在Linux中的取值范围为0~99，其中数值越大表示优先级越高。默认情况下，所有线程的优先级都相等(为50)。使用nice()函数可以修改线程的优先级，nice()的取值范围是-20~19，其中数值越大表示线程优先级越低。

线程优先级对程序的性能和响应时间的影响比较显著。在高优先级线程与低优先级线程争用同一资源时，高优先级线程将优先执行，低优先级线程将被挂起。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

void *function(void *arg) {
    printf("Thread is running!\n");
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    printf("Before Thread\n");
    pthread_create(&thread_id, NULL, &function, NULL);
    printf("Original Thread Priority: %d\n", pthread_getpriority(PRIO_PROCESS, 0));
    pthread_setschedprio(thread_id, 20);
    printf("New Thread Priority: %d\n", pthread_getpriority(PRIO_PROCESS, 0));
    pthread_join(thread_id, NULL);
    printf("After Thread\n");
    exit(0);
}

三、线程调度

Linux线程的调度算法分为两种：抢占式调度和时间片轮转调度。抢占式调度是指当某个线程具有更高的优先级时，操作系统会强制停止当前正在执行的线程，转而执行优先级更高的线程。时间片轮转调度是一种简单的调度算法，每个线程被分配一个固定长度的时间片，在时间片结束后该线程被挂起，另一线程开始执行。

在Linux中，可以使用sched_setscheduler()函数来修改线程的调度策略。Linux支持以下三种调度策略：

1. SCHED_FIFO

先进先出调度策略，线程按照先后顺序依次执行，不会被挂起，直到其主动调用pthread_cond_wait()或pthread_yield()函数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sched.h>

void *function(void *arg) {
    printf("Thread is running!\n");
    while(1) { printf("Thread is running!\n"); }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    struct sched_param params;
    params.sched_priority = 20;
    pthread_create(&thread_id, NULL, &function, NULL);
    printf("Before Thread\n");
    sched_setscheduler(thread_id, SCHED_FIFO, &params);
    printf("After Thread\n");
    pthread_join(thread_id, NULL);
    exit(0);
}

2. SCHED_RR

轮流调度策略，线程按照时间片轮流执行，进行时间片调度。当时间片结束后，该线程被放回队列尾部等待下一次调度。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sched.h>

void *function(void *arg) {
    printf("Thread is running!\n");
    while(1) { printf("Thread is running!\n"); }
    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    struct sched_param params;
    params.sched_priority = 20;
    pthread_create(&thread_id, NULL, &function, NULL);
    printf("Before Thread\n");
    sched_setscheduler(thread_id, SCHED_RR, &params);
    printf("After Thread\n");
    pthread_join(thread_id, NULL);
    exit(0);
}

3. SCHED_OTHER

默认调度策略，不支持优先级调整和时间片轮转调度。此调度策略适用于轻量级进程的调度。

四、总结

本文从进程与线程、线程优先级和线程调度三个方面详细阐述了Linux的线程优先级。通过了解并熟练使用线程优先级和调度策略，可以优化程序的性能和响应时间，提升程序的运行效率。