为什么Linux不是实时操作系统?

大家好，我是良许。

为什么Linux不是实时操作系统?

这个问题，我在做嵌入式的时候被问过很多次。

有人说:"Linux不是有实时调度策略吗?SCHED_FIFO、SCHED_RR这些，听起来很实时啊。"

还有人问:"如果把所有进程都设成实时调度，Linux能不能当实时系统用?"

答案是:不能。

或者说，不完全能。

咱先来搞清楚什么叫实时操作系统。

很多人以为实时就是"快"，其实不是。实时的核心是"可预测性"，也就是说，系统对事件的响应时间必须是确定的、有上限的。

举个例子。一个普通系统，处理一个中断，可能需要10微秒，也可能需要1毫秒，甚至更长。这个时间是不确定的。

但实时系统不行。实时系统必须保证，处理这个中断，最坏情况下也不会超过100微秒。这个"最坏情况"的上限，就是实时性的关键。

Linux为什么做不到?

因为Linux的设计目标，从一开始就不是实时系统。

Linux是通用操作系统，设计目标是高吞吐量、高并发、好的平均性能。为了达到这个目标，Linux做了很多优化:复杂的调度算法、动态内存管理、缓存机制、中断合并...

这些优化能提升平均性能，但会牺牲实时性。

比如说，Linux的调度器。Linux用的是CFS(完全公平调度器)，它的目标是让所有进程公平地分享CPU时间。但"公平"和"实时"是矛盾的。

实时系统需要的是:高优先级的任务必须立即执行，不管其他任务等了多久。但CFS会考虑所有任务的等待时间，避免某个任务饿死。

这就导致，即使你设置了SCHED_FIFO，Linux也不能保证你的任务一定能在规定时间内执行。

为什么?因为Linux内核本身不是完全可抢占的。

什么意思?就是说，当内核在执行某些关键代码的时候，是不能被打断的。比如说，内核在操作某个数据结构，为了保证一致性，会加锁。这个锁持有期间，即使来了一个高优先级的实时任务，也得等着。

这个等待时间，就是不可预测的。

我当年做汽车电子的时候，就遇到过这个问题。我们有个控制模块，需要每10毫秒采集一次传感器数据。我用SCHED_FIFO把这个任务设成最高优先级，理论上应该没问题。

但实际测试的时候，发现偶尔会有延迟。大部分时候是10毫秒，但有时候会到15毫秒，甚至20毫秒。

为什么?后来分析发现，是因为内核在处理网络中断的时候，禁用了抢占。我的实时任务虽然优先级高，但也得等内核处理完网络中断才能执行。

这就是Linux的问题:它不能保证最坏情况下的响应时间。

那有没有办法改进呢?有，就是PREEMPT_RT补丁。

PREEMPT_RT是一个内核补丁，它的目标就是让Linux变成实时系统。它做了什么呢?

第一，让内核完全可抢占。原来那些不能被打断的代码段，现在都可以被打断了。

第二，把中断处理线程化。原来中断处理是在中断上下文执行的，优先级最高，不能被抢占。现在把中断处理变成内核线程，可以被更高优先级的任务抢占。

第三，把自旋锁改成可睡眠的互斥锁。原来持有自旋锁的时候，是不能睡眠的，也不能被抢占。现在改成互斥锁，持有锁的线程可以被抢占，等待锁的线程可以睡眠。

这些改动，大大降低了Linux的最大延迟。

我见过一个测试数据:标准Linux内核，最大延迟可能有几毫秒;打了PREEMPT_RT补丁之后，最大延迟可以降到100微秒以内。

这个数据，对很多应用来说，已经够用了。

但即使打了PREEMPT_RT补丁，Linux还是不能算严格意义上的硬实时系统。

为什么?因为还有一些因素是无法控制的。

比如说，内存管理。Linux用的是虚拟内存，有缺页中断。如果你的实时任务访问了一个不在内存中的页面，就会触发缺页中断，需要从磁盘加载数据。这个时间，可能是几毫秒，甚至更长。

怎么办?你得用mlock把实时任务的内存锁定在物理内存中，避免缺页。

再比如，动态内存分配。malloc/free的时间是不确定的，可能很快，也可能很慢。如果你在实时任务中调用malloc，就可能导致延迟。

怎么办?你得提前分配好内存，或者用内存池，避免在实时路径上调用malloc。

还有，中断。即使你的任务优先级再高，也得等中断处理完。如果系统中有很多中断，而且中断处理时间很长，你的实时任务就会被延迟。

怎么办?你得优化中断处理，把耗时的操作放到线程中;或者用CPU隔离，把实时任务绑定到一个专门的核上，这个核不处理中断。

所以你看，即使用了PREEMPT_RT，要让Linux达到实时性能，还需要做很多额外的工作。

这就是为什么，真正对实时性要求极高的场景，还是会用专门的实时操作系统，比如VxWorks、QNX、FreeRTOS...

这些系统，从设计上就是为实时而生的。内核小、可预测性强、最大延迟有保证。

但Linux也有它的优势:生态好、功能全、社区活跃。很多应用，不需要微秒级的实时性，毫秒级就够了。这种情况下，用Linux + PREEMPT_RT，是个很好的选择。

我现在做的很多项目，就是这个方案。汽车电子、工业控制，这些领域对实时性有要求，但不是极端的硬实时。用Linux + PREEMPT_RT，既能满足实时性要求，又能享受Linux的生态。

所以，回到最初的问题:为什么Linux不是实时操作系统?

因为它的设计目标不是实时。

但通过PREEMPT_RT补丁和一些优化手段，Linux可以达到软实时的性能，满足很多应用的需求。

至于"把所有进程都设成实时调度，能不能当实时系统用"?

答案是:不能。

因为实时调度只是解决了任务优先级的问题，但没有解决内核延迟、中断延迟、内存管理这些问题。

真正的实时性，需要从内核层面做优化，而不只是改调度策略。

这就是答案。

END

来源：良许Linux