CPU调度实验

实验目标

通过实际编程和系统工具观测，深入理解CPU调度和上下文切换的工作机制。

实验环境要求

  • Linux系统（Ubuntu 20.04+推荐）
  • gcc编译器
  • sysstat工具包（提供pidstat、vmstat等命令）

安装依赖

sudo apt update
sudo apt install -y build-essential sysstat

实验列表

实验1：上下文切换观测

目标： 观察大量线程导致的上下文切换

步骤：

  1. 编译测试程序：
gcc -o context_switch_test context_switch_test.c -lpthread
  1. 在一个终端运行程序：
./context_switch_test
  1. 在另一个终端观测上下文切换：
# 观测系统级上下文切换
vmstat 1

# 观测进程级上下文切换
pidstat -w 1
  1. 分析输出：
    • vmstat中的cs列显示每秒上下文切换次数
    • pidstat中的cswch/s显示自愿切换，nvcswch/s显示非自愿切换
    • 高的nvcswch/s表示CPU竞争激烈

预期结果：

  • cs值显著增加（可能达到数千/秒）
  • CPU使用率接近100%
  • 系统响应可能变慢

实验2：调度参数调优

目标： 理解调度参数对性能的影响

步骤：

  1. 查看当前调度参数：
cat /proc/sys/kernel/sched_latency_ns
cat /proc/sys/kernel/sched_min_granularity_ns
  1. 运行基准测试：
time ./context_switch_test
  1. 调整调度参数：
# 增大最小时间片（减少上下文切换）
sudo sysctl -w kernel.sched_min_granularity_ns=3000000  # 3ms

# 增大调度延迟
sudo sysctl -w kernel.sched_latency_ns=12000000  # 12ms
  1. 再次运行基准测试：
time ./context_switch_test
  1. 对比结果：
    • 执行时间是否变化
    • 上下文切换次数是否减少
    • CPU利用率的变化

实验3：进程优先级实验

目标： 理解nice值对调度的影响

步骤：

  1. 创建CPU密集型程序（如果还没有）：
// cpu_intensive.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int i = 0;
    while (1) {
        i++;
        if (i % 100000000 == 0) {
            printf("PID %d: iteration %d\n", getpid(), i);
        }
    }
    return 0;
}
  1. 编译：
gcc -o cpu_intensive cpu_intensive.c
  1. 以不同优先级运行：
# 终端1：高优先级（-20）
sudo nice -n -20 ./cpu_intensive &

# 终端2：低优先级（+19）
nice -n 19 ./cpu_intensive &

# 终端3：观测进程状态
top -H
  1. 分析结果：
    • 观察两个进程的CPU使用率差异
    • 查看进程的NI（nice）值和PRI（优先级）
    • 理解优先级如何影响CPU时间分配

清理实验环境

# 杀死所有测试进程
pkill -f context_switch_test
pkill -f cpu_intensive

# 恢复默认调度参数
sudo sysctl -w kernel.sched_min_granularity_ns=750000
sudo sysctl -w kernel.sched_latency_ns=6000000

扩展练习

  1. 多核调度实验：修改程序，让线程绑定到不同的CPU核心，观察调度行为的变化。

  2. 实时调度实验：使用SCHED_FIFO或SCHED_RR策略，对比与默认SCHED_OTHER的差异。

  3. 性能分析：使用perf工具生成调度火焰图：

sudo perf sched record -- ./context_switch_test
sudo perf sched latency

注意事项

  • 某些操作需要root权限
  • 实验可能导致系统负载较高
  • 建议在测试环境或虚拟机中进行
  • 实验结束后记得清理进程和恢复系统参数