スレッドの優先度を設定したつもりが効かない

Question

C++で、スレッドの優先度を設定してみたのですが、思うようにスケジューリングされません。
優先度の設定方法がおかしいのか、実行環境の問題なのか、よくわかりません。

コードを以下に示します。
main()から生成するスレッドは2つ（th1、th2）です。
th1はsender()を、th2はrecver()を実行します。
th1の優先度はデフォルトで0です。
th2の優先度は、10に設定しています。
希望する動作は、th1がqueに"a"、"i"、"u"を詰めた後、th2がqueから"a"、"i"、"u"を取り出すというものです。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <string>

std::mutex mtx;

static std::queue<std::string> que;

void sender()
{
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	int policy;
	struct sched_param sch;
	int ret = pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, &sch);
	std::cout << "sender " << sch.sched_priority << std::endl;

	mtx.lock();
	que.push("a");
	que.push("i");
	que.push("u");
	mtx.unlock();
}

void recver()
{
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	int policy;
	struct sched_param sch;
	int ret = pthread_getschedparam(pthread_self(), &policy, &sch);
	std::cout << "recver " << sch.sched_priority << std::endl;

	mtx.lock();
	std::cout << que.front() << std::endl; que.pop();
	std::cout << que.front() << std::endl; que.pop();
	std::cout << que.front() << std::endl; que.pop();
	mtx.unlock();
}

int main()
{
	std::thread th1(sender);
	std::thread th2(recver);

	// 優先度
	struct sched_param sch;
	int policy;
	pthread_getschedparam(th2.native_handle(), &policy, &sch);
	sch.sched_priority = 10;
	int ret = pthread_setschedparam(th2.native_handle(), SCHED_FIFO, &sch);
	if(ret != 0) std::cout << "pthread_setschedparam error! " << ret << std::endl;

	th1.join();
	th2.join();

	return 0;
}

上記のコードを管理者権限で実行すると、th1とth2の優先度は設定されているようにみえるのですが、スケジューリングが思うようにできておらず、th2がth1よりも先に実行されたりします・・・。
SCHED_FIFOをSCHED_RRにしても変化はありませんでした。

ご存じの方がおられましたら、教えて頂けると幸いです。

Answer 1

C++で、スレッドの優先度を設定してみたのですが、思うようにスケジューリングされません。
優先度の設定方法がおかしいのか、実行環境の問題なのか、よくわかりません。

あなたの「スレッド優先度」に対する解釈が誤っています。複数スレッドによる処理が特定の順序で実行されることを保証したい場合、そもそもスレッド優先度は役に立ちません。真に順序要件が必要であれば、ミューテックス(mutex)・条件変数(condition variable)・セマフォ(semaphore)といったスレッド間同期機構を利用すべきです。

スレッド優先度の厳密な意味は、OSカーネル毎に定義が異なるため、前提条件を明確にしない限り適切に議論できません。一般論として、マルチスレッドプログラムにおけるスレッド優先度を大局的にみると、スレッドスケジューリングに対する「ヒント情報」にすぎません。スレッド優先度は、特定の排他制御競合に対する局所的な議論で初めて意味を持ちます。

Comments

[torimingo]

ご回答頂きありがとうございました。
勉強になりました。

[torimingo]

プログラミングをミスってたみたいで、優先度によるスケジューリングできました。
（th1が終了してから、th2が動くようになりました）
CPU制御が少し必要でした。
ミューテックス等は必要ありませんでした。

[yohhoy]

https://teratail.com/questions/220749
上記（後発）質問への回答もあわせて参照してください。プライオリティについて明らかに誤解があるようです。コメントにあるような、一見すると期待通りの結果が得られたのは偶然の産物です。

[torimingo]

だいぶ前に、マイコン用に書いた小さめのOS（マルチスレッド機能を実装してみた）がちゃんと動いていたので、プライオリティについて、勝手な思い込みをしていたと思います。すみません・・・。
（つくったOSでは、TCB（スレッド）構造体のなかに整数値を設け、それをプライオリティとしていました・・・）

Answer 2

OSなど、環境に依存する部分もあるでしょうから実際に試してはいませんが、

std::thread th1(sender);
std::thread th2(recver);

とのようにコーディングしているということは、コンストラクタ実行後に即、スレッドが始動してしまうので、スレッドth2のプライオリティをセットしたところでsenderやrecverなどの関数はもう終わってしまっている可能性があります。また、pthread_getschedparamなどとスレッド用の関数やシステムコール/APIを実行すれば、その時点でスレッドが切り替わる可能性もあります。

スレッドのプライオリティをセットしたところで、複数のスレッドが単一の排他制御オブジェクト(この場合はstd::mutex mtx)を同時に獲得しようと競合しないかぎりは、優先度は目立った影響はないかと思われます。

Comments

[torimingo]

ご回答をありがとうございます。
sender()とrecver()のなかで1秒スリープしているので、th1、th2が終了する前に、th2のプライオリティはセットされていると思われます。
pthread_getschedparamをコメントアウトしても、結果は同じでした。
「mtxを同時に獲得しようと競合する」とは、どういう意味でしょうか？
mtx.lock()は単純に早いもの勝ちだという認識なのですが・・・。

[dodox86]

> sender()とrecver()のなかで1秒スリープしているので、th1、th2が終了する前に、th2のプライオリティはセットされていると思われます。
セット自体はされていると思います。ですが、th1とth2がほぼ同時に起動してそれぞれがスリープに入り、別スレッドであるmainからプライオリティをセットしても、スリープが解除されてからmutexをロックしに行く部分でth2が早い者勝ちで獲得することはあると思います。

「mtxを同時に獲得しようと競合する」についてですが、
> mtx.lock()は単純に早いもの勝ちだという認識なのですが・・・
これはそのとおりで、もっとたくさんのスレッドが存在して競合した場合の話でした。今回のコードには必ずしも当たらないかもしれません。話を複雑にしてすみません。

[dodox86]

ちなみにご提示のコードの問題はUbuntu上でこちらでも再現したのですが、
std::thread th2(receiver);
std::thread th1(sender);
と順番を逆にすると、th1が先に処理されます。起動されたらそのままCPU時間が割り当てられて、進んでいるのだと思います。Linuxのスレッドのクセもあるかもしれません。プログラム全体として処理に順序性を求めるなら、別の制御をしないとダメだと思います。

[dodox86]

スレッドの優先度のみに依存してプログラム全体の実行順序を制御するのは適切ではない、と言うことです。

[torimingo]

スレッドのスケジューリングを制御するためには、優先度以外にどんなものを調整すればよいのでしょうか・・・？
（どんなものを調整すれば、プログラム全体の実行順序を制御できるのでしょうか・・・）

[dodox86]

実行順序ならば、pthreadなら例えばpthread_cond_wait、Win32ならWaitForSingleObjectのようなものを使って、スレッドそれぞれで必要なイベントを待機（シグナル待ち）するようなかたちでしょうかね。マルチスレッド用のフラグのようなものです。

[torimingo]

pthread_cond_waitなどを使って、実行順序を制御することに致します。
色々な情報をありがとうございました。勉強になりました。