[论文解读] Scheduling of Hard Real-Time Multi-Thread Periodic Tasks

Irina Iulia Lupu, Joël Goossens|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Real-Time Systems Scheduling参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新型并行任务模型，适用于硬实时系统，其中周期性任务由多个可同时在不同处理器上执行的独立线程组成。该文引入了分层和全局线程调度器，并提供了精确的可调度性测试，通过仿真表明，多线程调度在成功率和响应时间方面优于Gang调度，尤其在处理器数量增加时表现更优。

ABSTRACT

In this paper we study the scheduling of parallel and real-time recurrent tasks. Firstly, we propose a new parallel task model which allows recurrent tasks to be composed of several threads, each thread requires a single processor for execution and can be scheduled simultaneously. Secondly, we define several kinds of real-time schedulers that can be applied to our parallel task model. We distinguish between two scheduling classes: hierarchical schedulers and global thread schedulers. We present and prove correct an exact schedulability test for each class. Lastly, we also evaluate the performance of our scheduling paradigm in comparison with Gang scheduling by means of simulations.

研究动机与目标

• 为同构多处理器平台上周期性、多线程实时应用缺乏现实的任务模型和可调度性分析问题提供解决方案。
• 设计一种新型并行任务模型，允许任务的独立线程在多个处理器上并发执行。
• 基于固定任务优先级（FTP）和固定子程序优先级（FSP），设计可预测的调度器——分层调度器和全局线程调度器。
• 为两类调度器提供精确的可调度性测试，确保实时系统中正确性和可行性分析。
• 通过实验评估所提模型与Gang调度的性能对比，尤其关注成功率和最坏情况响应时间（WCRT）。

提出的方法

• 提出一种形式化任务模型，其中每个周期性任务 τi 由偏移量 Oi、一组 v_i 个子程序（每个子程序具有独立的最坏情况执行时间 C_i^j）、周期 Ti 和相对截止时间 Di 定义。
• 区分任务（离线定义）与进程/线程（运行时实例），线程在可用处理器上独立调度。
• 将调度器分为两类：分层调度器（在任务和子程序层级分配优先级）和全局线程调度器（独立于任务结构分配线程优先级）。
• 基于调度行为的可预测性及任务的周期性，利用实时理论中的已知结果，开发精确的可调度性测试。
• 采用基于仿真的评估方法，使用合成工作负载比较所提多线程调度器与Gang调度的成功率和最坏情况响应时间（WCRT）。
• 将模型扩展至多阶段任务（具有不同并行度的顺序阶段），以评估实用性，结果表明分层调度器存在不可预测行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否定义一种现实的并行任务模型，使周期性任务的独立线程能够在多个处理器上同时执行？
• RQ2 基于FTP和FSP的分层和全局线程调度器，在多线程周期性任务背景下是否具有可预测性？
• RQ3 能否为这些调度器类别形式化推导并证明精确的可调度性测试？
• RQ4 所提多线程调度方法在成功率和响应时间方面与Gang调度相比表现如何？
• RQ5 将模型扩展至包含顺序执行和并行执行阶段的多阶段任务时存在哪些局限性？

主要发现

• 在16处理器平台上，当利用率达10.4时，所提多线程调度方法的成功率最高可达Gang调度的7.5倍。
• 在4、8和16处理器平台上，(DM, IM)调度器使最低优先级任务的最坏情况响应时间（WCRT）相比Gang DM最多降低8%，且随着处理器数量增加，性能差距扩大。
• 在2处理器平台上，(DM, IM)调度器与Gang DM的最低优先级任务WCRT相等，但在更大平台中性能优势显现。
• 在WCRT方面，(DM, IM)调度器在最多50%的测试任务系统中优于Gang DM，多数情况下响应时间更优。
• 所提调度器具有可预测性，并支持精确的可调度性测试，而以往方法依赖启发式或充分条件，缺乏形式化保证。
• 将模型扩展至多阶段任务（如初始化、并行计算、收尾阶段）后，分层调度器表现出不可预测行为，通过反例展示了时序异常现象。