使用Ubuntu实时内核的Docker实时指南

作者：Tobit Flatscher（2021年8月 - 2023年2月）

概览

这个开源项目旨在帮助开发者在Linux操作系统上，尤其是使用Docker容器，开发和部署实时性要求高的代码。它向您详细介绍了：

• 实时系统基础知识与各种实时Linux方法概述
• 如何设置Ubuntu实时内核或安装PREEMPT_RT，包括自动重新编译内核的脚本
• 实时系统优化和性能基准测试工具cyclictest
• 在PREEMPT_RT修补过的主机系统上的实时兼容容器配置
• 针对PREEMPT_RT的Nvidia驱动程序支持

请注意，由于依赖PREEMPT_RT修补过的主机系统，该指南不适用于Windows和MacOS。

此外，如果您想要了解如何使用Docker和Docker Compose进行开发，以及如何在Visual Studio Code中设置并配合图形用户界面和ROS工作区使用，可以查看作者的另一个仓库docker-for-robotics。

应用场景

这个项目适合多种实时应用，例如：

• 控制Linux系统的实时机器人硬件，如通过EtherCAT接口的SOEM或IgH主站
• 利用SoftPLC实现数字控制，例如使用CodeSYS Control或LinuxCNC
• 音频开发中的实时编程，例如利用Juce进行实时处理

Docker与实时应用

Docker容器能够共享主机内核，因此只要主机内核具备实时能力，容器内的应用程序也可以运行实时代码。关键在于正确设置权限以及减少网络延迟选项。

安装实时内核

Ubuntu 22.04及以上版本提供了通过Ubuntu Pro订阅的实时内核，只需简单几步命令即可安装。个人用户最多可以免费注册五台机器，商业用户则需购买订阅。通过这种方式安装是最方便可靠的。doc/PreemptRt.md文档中有详细的注册和安装说明。

另外，也可以使用源码编译或现有的Debian包来安装，相关步骤同样在doc/PreemptRt.md中详细描述，并提供了自动化脚本辅助。

设置实时权限

成功安装实时内核后，只需使用特定选项启动Docker容器，即使非root用户也能设定实时优先级。详情参见doc/PreemptRt.md。

启动Docker

在安装了PREEMPT_RT之后，运行以下Docker配置，容器内的任何进程都能设置实时优先级：

cap_add:
  - SYS_NICE
ulimits:
  rtprio: 99
  rttime: -1 # 对应'无限'
  memlock: 8428281856
network_mode: host

使用这些选项启动的Docker容器将具备与主机相同的实时性能。

示例

该项目附带了一个简单的示例，供您体验。在Docker容器内部执行cyclictest，以评估系统的实时性能。比较在主机和容器中的结果差异，可以看到几乎无差别。

要启动示例，请运行：

$ docker-compose -f docker/docker-compose.yml up

然后进入benchmark/目录并运行：

$ ./mklatencyplot.bash

这会创建一个延迟直方图，测量线程实际唤醒时间与其预定唤醒时间的差值，从而显示系统潜在的延迟来源。

项目特点

• 提供详尽的实时系统设置和优化指南。
• 支持PREEMPT_RT内核的自动安装和Docker容器配置。
• 可用于多种实时应用领域，如机器人控制、数字控制和音频开发。
• 兼容性好，能确保容器内的实时性能与主机一致。

通过这个开源项目，您可以轻松地搭建实时Linux环境，并在Docker容器内安全高效地运行实时应用。无论是开发还是部署，都是一个值得尝试的优秀解决方案。