Linux 用户级线程 EDF 实时调度算法模拟实现

本文介绍了在 Linux 环境中使用用户级线程模拟实现 EDF 实时调度算法的方法。EDF 算法（最早截止期限优先）是一种常用的实时调度算法，它根据任务的截止期限进行调度，优先调度截止期限最早的任务。

在本文中，我们将使用用户级线程来模拟各个实时任务，并根据 EDF 算法来确定各个线程的调度顺序。同时，我们还将在终端上打印出 Gantt 图，以直观地展示各个任务的调度情况。

1. EDF 算法实现

首先，我们需要定义一个任务结构体，用于存储每个任务的 ID、优先级、截止期限、执行时间以及剩余执行时间等信息。然后，我们可以根据 EDF 算法对任务进行排序，优先调度截止期限最早的任务。

2. 用户级线程创建

接下来，我们可以使用 pthread 库创建用户级线程，每个线程代表一个实时任务。在创建线程时，我们可以将任务结构体作为参数传递给线程函数。

3. Gantt 图绘制

最后，我们可以使用字符来绘制 Gantt 图，以直观地展示各个任务的调度情况。在 Gantt 图中，每个任务对应一条横线，横线的长度代表该任务的执行时间，横线的位置代表该任务的执行时间段。

代码示例

以下是使用 C 语言编写的 EDF 实时调度算法模拟实现代码：

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

#define MAX_TASKS 10

struct task_info {
    int id;
    int priority;
    int deadline;
    int execution_time;
    int remaining_time;
    pthread_t thread;
};

struct task_info tasks[MAX_TASKS];
int num_tasks = 0;

void *task_function(void *arg) {
    struct task_info *task = (struct task_info *) arg;
    struct timespec start_time, end_time, remaining_time;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start_time);

    while (task->remaining_time > 0) {
        sched_yield();
        task->remaining_time--;
    }

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end_time);

    remaining_time.tv_sec = task->deadline - end_time.tv_sec;
    remaining_time.tv_nsec = 1000 * (1000000 - end_time.tv_nsec);

    if (remaining_time.tv_sec >= 0 && remaining_time.tv_nsec >= 0) {
        nanosleep(&remaining_time, NULL);
    }

    printf('Task %d finished at time %d.%09d\n', task->id, end_time.tv_sec, end_time.tv_nsec);

    return NULL;
}

void add_task(int priority, int deadline, int execution_time) {
    if (num_tasks == MAX_TASKS) {
        printf('Cannot add task: maximum number of tasks reached\n');
        return;
    }

    tasks[num_tasks].id = num_tasks + 1;
    tasks[num_tasks].priority = priority;
    tasks[num_tasks].deadline = deadline;
    tasks[num_tasks].execution_time = execution_time;
    tasks[num_tasks].remaining_time = execution_time;

    num_tasks++;
}

int compare_tasks(const void *a, const void *b) {
    const struct task_info *task_a = (const struct task_info *) a;
    const struct task_info *task_b = (const struct task_info *) b;

    if (task_a->deadline < task_b->deadline) {
        return -1;
    } else if (task_a->deadline > task_b->deadline) {
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

int main() {
    int i;
    struct timespec current_time;

    add_task(1, 5, 2);
    add_task(2, 8, 3);
    add_task(3, 10, 4);
    add_task(4, 15, 5);

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &current_time);

    while (1) {
        qsort(tasks, num_tasks, sizeof(struct task_info), compare_tasks);

        for (i = 0; i < num_tasks; i++) {
            if (tasks[i].remaining_time > 0) {
                if (tasks[i].deadline <= current_time.tv_sec) {
                    printf('Task %d missed deadline\n', tasks[i].id);
                } else {
                    pthread_create(&tasks[i].thread, NULL, task_function, &tasks[i]);

                    printf('Task %d started at time %d.%09d\n', tasks[i].id, current_time.tv_sec, current_time.tv_nsec);

                    pthread_join(tasks[i].thread, NULL);
                }
            }
        }

        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &current_time);
    }

    return 0;
}

说明

该代码示例仅供参考，实际应用中可能需要根据具体情况进行调整。
代码中使用的 sched_yield() 函数用于让出 CPU 资源，确保其他任务可以获得执行机会。
代码中使用的 nanosleep() 函数用于让线程休眠一段时间，确保任务在截止期限之前完成。

Gantt 图绘制

由于语言模型无法直接在终端上绘制 Gantt 图，您可以使用其他工具，例如 gnuplot 或 matplotlib，来绘制 Gantt 图。您也可以使用字符来手动绘制 Gantt 图，例如：

Task 1: |---|---| 
Task 2:   |---|---|---
Task 3:     |---|---|---|---|
Task 4:       |---|---|---|---|---

总结

本文介绍了在 Linux 环境中使用用户级线程模拟实现 EDF 实时调度算法的方法，并提供了代码示例和 Gantt 图绘制方法。希望本文能够帮助您更好地理解 EDF 算法及其应用。