Linux進程調度：如何提升并發能力

在Linux系統中，提升并發能力通常涉及到優化進程調度策略、調整系統參數以及改進應用程序設計。以下是一些具體的方法：

1. 選擇合適的調度算法

Linux內核提供了多種調度算法，包括：

• CFS (Completely Fair Scheduler): 默認的調度算法，適用于大多數場景。
• RR (Round Robin): 適用于時間片輪轉調度，適合實時性要求高的任務。
• FIFO (First In, First Out): 先進先出調度，適用于批處理任務。

根據應用場景選擇合適的調度算法可以提升并發能力。

2. 調整進程優先級

使用nice和renice命令可以調整進程的優先級。優先級較高的進程會獲得更多的CPU時間。

nice -n -20 myprogram  # 啟動時設置高優先級
renice -n -20 -p <pid>  # 調整已運行進程的優先級

3. 使用實時調度策略

對于需要嚴格實時性的任務，可以使用實時調度策略，如SCHED_FIFO或SCHED_RR。

#include <sched.h>

struct sched_param param;
param.sched_priority = 99;  // 設置優先級
if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
    perror("sched_setscheduler");
}

4. 調整CPU親和性

通過設置CPU親和性，可以將進程綁定到特定的CPU核心上運行，減少上下文切換，提高性能。

#include <sched.h>

cpu_set_t mask;
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(0, &mask);  // 綁定到CPU 0

if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) == -1) {
    perror("sched_setaffinity");
}

5. 增加文件描述符限制

并發程序通常需要處理大量的文件描述符，增加文件描述符的限制可以提高并發能力。

ulimit -n 65535  # 臨時增加文件描述符限制

6. 優化內存管理

合理使用內存，避免內存泄漏和不必要的內存分配，可以減少系統調用的次數，提高性能。

7. 使用異步I/O

異步I/O可以避免阻塞，提高I/O操作的并發能力。

#include <aio.h>

struct aiocb cb;
memset(&cb, 0, sizeof(struct aiocb));
cb.aio_fildes = fd;
cb.aio_offset = offset;
cb.aio_buf = buffer;
cb.aio_nbytes = length;
cb.aio_sigevent.sigev_notify = SIGEV_THREAD;

if (aio_read(&cb) == -1) {
    perror("aio_read");
}

8. 使用線程池

線程池可以復用線程，減少線程創建和銷毀的開銷，提高并發能力。

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

#define MAX_THREADS 10

typedef struct {
    void (*function)(void *);
    void *argument;
} thread_pool_task_t;

typedef struct {
    pthread_t *threads;
    thread_pool_task_t *tasks;
    int task_count;
    int shutdown;
} thread_pool_t;

thread_pool_t *thread_pool_create(int num_threads) {
    thread_pool_t *pool = malloc(sizeof(thread_pool_t));
    pool->threads = malloc(num_threads * sizeof(pthread_t));
    pool->tasks = malloc(MAX_THREADS * sizeof(thread_pool_task_t));
    pool->task_count = 0;
    pool->shutdown = 0;

    for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
        pthread_create(&pool->threads[i], NULL, thread_pool_worker, pool);
    }

    return pool;
}

void thread_pool_destroy(thread_pool_t *pool) {
    pool->shutdown = 1;
    pthread_cond_broadcast(&pool->cond);
    for (int i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {
        pthread_join(pool->threads[i], NULL);
    }
    free(pool->threads);
    free(pool->tasks);
    free(pool);
}

void *thread_pool_worker(void *arg) {
    thread_pool_t *pool = (thread_pool_t *)arg;

    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&pool->mutex);
        while (pool->task_count == 0 && !pool->shutdown) {
            pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->mutex);
        }

        if (pool->shutdown) {
            pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);
            pthread_exit(NULL);
        }

        thread_pool_task_t task = pool->tasks[--pool->task_count];
        pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);

        task.function(task.argument);
    }

    return NULL;
}

void thread_pool_add_task(thread_pool_t *pool, void (*function)(void *), void *argument) {
    pthread_mutex_lock(&pool->mutex);
    if (pool->task_count < MAX_THREADS) {
        pool->tasks[pool->task_count].function = function;
        pool->tasks[pool->task_count].argument = argument;
        pool->task_count++;
        pthread_cond_signal(&pool->cond);
    }
    pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);
}

9. 使用事件驅動模型

事件驅動模型可以減少線程的數量，提高并發能力。常見的事件驅動庫有libevent、libuv等。

10. 監控和調優

使用工具如top、htop、vmstat、iostat等監控系統狀態，根據監控結果進行調優。

通過以上方法，可以有效地提升Linux系統的并發能力。