GNU Linux-libre 4.14.254-gnu1
[releases.git] / Documentation / scheduler / sched-deadline.txt
1                           Deadline Task Scheduling
2                           ------------------------
3
4 CONTENTS
5 ========
6
7  0. WARNING
8  1. Overview
9  2. Scheduling algorithm
10    2.1 Main algorithm
11    2.2 Bandwidth reclaiming
12  3. Scheduling Real-Time Tasks
13    3.1 Definitions
14    3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
15    3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
16    3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
17  4. Bandwidth management
18    4.1 System-wide settings
19    4.2 Task interface
20    4.3 Default behavior
21    4.4 Behavior of sched_yield()
22  5. Tasks CPU affinity
23    5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
24  6. Future plans
25  A. Test suite
26  B. Minimal main()
27
28
29 0. WARNING
30 ==========
31
32  Fiddling with these settings can result in an unpredictable or even unstable
33  system behavior. As for -rt (group) scheduling, it is assumed that root users
34  know what they're doing.
35
36
37 1. Overview
38 ===========
39
40  The SCHED_DEADLINE policy contained inside the sched_dl scheduling class is
41  basically an implementation of the Earliest Deadline First (EDF) scheduling
42  algorithm, augmented with a mechanism (called Constant Bandwidth Server, CBS)
43  that makes it possible to isolate the behavior of tasks between each other.
44
45
46 2. Scheduling algorithm
47 ==================
48
49 2.1 Main algorithm
50 ------------------
51
52  SCHED_DEADLINE uses three parameters, named "runtime", "period", and
53  "deadline", to schedule tasks. A SCHED_DEADLINE task should receive
54  "runtime" microseconds of execution time every "period" microseconds, and
55  these "runtime" microseconds are available within "deadline" microseconds
56  from the beginning of the period.  In order to implement this behavior,
57  every time the task wakes up, the scheduler computes a "scheduling deadline"
58  consistent with the guarantee (using the CBS[2,3] algorithm). Tasks are then
59  scheduled using EDF[1] on these scheduling deadlines (the task with the
60  earliest scheduling deadline is selected for execution). Notice that the
61  task actually receives "runtime" time units within "deadline" if a proper
62  "admission control" strategy (see Section "4. Bandwidth management") is used
63  (clearly, if the system is overloaded this guarantee cannot be respected).
64
65  Summing up, the CBS[2,3] algorithm assigns scheduling deadlines to tasks so
66  that each task runs for at most its runtime every period, avoiding any
67  interference between different tasks (bandwidth isolation), while the EDF[1]
68  algorithm selects the task with the earliest scheduling deadline as the one
69  to be executed next. Thanks to this feature, tasks that do not strictly comply
70  with the "traditional" real-time task model (see Section 3) can effectively
71  use the new policy.
72
73  In more details, the CBS algorithm assigns scheduling deadlines to
74  tasks in the following way:
75
76   - Each SCHED_DEADLINE task is characterized by the "runtime",
77     "deadline", and "period" parameters;
78
79   - The state of the task is described by a "scheduling deadline", and
80     a "remaining runtime". These two parameters are initially set to 0;
81
82   - When a SCHED_DEADLINE task wakes up (becomes ready for execution),
83     the scheduler checks if
84
85                  remaining runtime                  runtime
86         ----------------------------------    >    ---------
87         scheduling deadline - current time           period
88
89     then, if the scheduling deadline is smaller than the current time, or
90     this condition is verified, the scheduling deadline and the
91     remaining runtime are re-initialized as
92
93          scheduling deadline = current time + deadline
94          remaining runtime = runtime
95
96     otherwise, the scheduling deadline and the remaining runtime are
97     left unchanged;
98
99   - When a SCHED_DEADLINE task executes for an amount of time t, its
100     remaining runtime is decreased as
101
102          remaining runtime = remaining runtime - t
103
104     (technically, the runtime is decreased at every tick, or when the
105     task is descheduled / preempted);
106
107   - When the remaining runtime becomes less or equal than 0, the task is
108     said to be "throttled" (also known as "depleted" in real-time literature)
109     and cannot be scheduled until its scheduling deadline. The "replenishment
110     time" for this task (see next item) is set to be equal to the current
111     value of the scheduling deadline;
112
113   - When the current time is equal to the replenishment time of a
114     throttled task, the scheduling deadline and the remaining runtime are
115     updated as
116
117          scheduling deadline = scheduling deadline + period
118          remaining runtime = remaining runtime + runtime
119
120
121 2.2 Bandwidth reclaiming
122 ------------------------
123
124  Bandwidth reclaiming for deadline tasks is based on the GRUB (Greedy
125  Reclamation of Unused Bandwidth) algorithm [15, 16, 17] and it is enabled
126  when flag SCHED_FLAG_RECLAIM is set.
127
128  The following diagram illustrates the state names for tasks handled by GRUB:
129
130                              ------------
131                  (d)        |   Active   |
132               ------------->|            |
133               |             | Contending |
134               |              ------------
135               |                A      |
136           ----------           |      |
137          |          |          |      |
138          | Inactive |          |(b)   | (a)
139          |          |          |      |
140           ----------           |      |
141               A                |      V
142               |              ------------
143               |             |   Active   |
144               --------------|     Non    |
145                  (c)        | Contending |
146                              ------------
147
148  A task can be in one of the following states:
149
150   - ActiveContending: if it is ready for execution (or executing);
151
152   - ActiveNonContending: if it just blocked and has not yet surpassed the 0-lag
153     time;
154
155   - Inactive: if it is blocked and has surpassed the 0-lag time.
156
157  State transitions:
158
159   (a) When a task blocks, it does not become immediately inactive since its
160       bandwidth cannot be immediately reclaimed without breaking the
161       real-time guarantees. It therefore enters a transitional state called
162       ActiveNonContending. The scheduler arms the "inactive timer" to fire at
163       the 0-lag time, when the task's bandwidth can be reclaimed without
164       breaking the real-time guarantees.
165
166       The 0-lag time for a task entering the ActiveNonContending state is
167       computed as
168
169                         (runtime * dl_period)
170              deadline - ---------------------
171                              dl_runtime
172
173       where runtime is the remaining runtime, while dl_runtime and dl_period
174       are the reservation parameters.
175
176   (b) If the task wakes up before the inactive timer fires, the task re-enters
177       the ActiveContending state and the "inactive timer" is canceled.
178       In addition, if the task wakes up on a different runqueue, then
179       the task's utilization must be removed from the previous runqueue's active
180       utilization and must be added to the new runqueue's active utilization.
181       In order to avoid races between a task waking up on a runqueue while the
182        "inactive timer" is running on a different CPU, the "dl_non_contending"
183       flag is used to indicate that a task is not on a runqueue but is active
184       (so, the flag is set when the task blocks and is cleared when the
185       "inactive timer" fires or when the task  wakes up).
186
187   (c) When the "inactive timer" fires, the task enters the Inactive state and
188       its utilization is removed from the runqueue's active utilization.
189
190   (d) When an inactive task wakes up, it enters the ActiveContending state and
191       its utilization is added to the active utilization of the runqueue where
192       it has been enqueued.
193
194  For each runqueue, the algorithm GRUB keeps track of two different bandwidths:
195
196   - Active bandwidth (running_bw): this is the sum of the bandwidths of all
197     tasks in active state (i.e., ActiveContending or ActiveNonContending);
198
199   - Total bandwidth (this_bw): this is the sum of all tasks "belonging" to the
200     runqueue, including the tasks in Inactive state.
201
202
203  The algorithm reclaims the bandwidth of the tasks in Inactive state.
204  It does so by decrementing the runtime of the executing task Ti at a pace equal
205  to
206
207            dq = -max{ Ui, (1 - Uinact) } dt
208
209  where Uinact is the inactive utilization, computed as (this_bq - running_bw),
210  and Ui is the bandwidth of task Ti.
211
212
213  Let's now see a trivial example of two deadline tasks with runtime equal
214  to 4 and period equal to 8 (i.e., bandwidth equal to 0.5):
215
216      A            Task T1
217      |
218      |                               |
219      |                               |
220      |--------                       |----
221      |       |                       V
222      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
223      0   1   2   3   4   5   6   7   8
224
225
226      A            Task T2
227      |
228      |                               |
229      |                               |
230      |       ------------------------|
231      |       |                       V
232      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
233      0   1   2   3   4   5   6   7   8
234
235
236      A            running_bw
237      |
238    1 -----------------               ------
239      |               |               |
240   0.5-               -----------------
241      |                               |
242      |---|---|---|---|---|---|---|---|--------->t
243      0   1   2   3   4   5   6   7   8
244
245
246   - Time t = 0:
247
248     Both tasks are ready for execution and therefore in ActiveContending state.
249     Suppose Task T1 is the first task to start execution.
250     Since there are no inactive tasks, its runtime is decreased as dq = -1 dt.
251
252   - Time t = 2:
253
254     Suppose that task T1 blocks
255     Task T1 therefore enters the ActiveNonContending state. Since its remaining
256     runtime is equal to 2, its 0-lag time is equal to t = 4.
257     Task T2 start execution, with runtime still decreased as dq = -1 dt since
258     there are no inactive tasks.
259
260   - Time t = 4:
261
262     This is the 0-lag time for Task T1. Since it didn't woken up in the
263     meantime, it enters the Inactive state. Its bandwidth is removed from
264     running_bw.
265     Task T2 continues its execution. However, its runtime is now decreased as
266     dq = - 0.5 dt because Uinact = 0.5.
267     Task T2 therefore reclaims the bandwidth unused by Task T1.
268
269   - Time t = 8:
270
271     Task T1 wakes up. It enters the ActiveContending state again, and the
272     running_bw is incremented.
273
274
275 3. Scheduling Real-Time Tasks
276 =============================
277
278  * BIG FAT WARNING ******************************************************
279  *
280  * This section contains a (not-thorough) summary on classical deadline
281  * scheduling theory, and how it applies to SCHED_DEADLINE.
282  * The reader can "safely" skip to Section 4 if only interested in seeing
283  * how the scheduling policy can be used. Anyway, we strongly recommend
284  * to come back here and continue reading (once the urge for testing is
285  * satisfied :P) to be sure of fully understanding all technical details.
286  ************************************************************************
287
288  There are no limitations on what kind of task can exploit this new
289  scheduling discipline, even if it must be said that it is particularly
290  suited for periodic or sporadic real-time tasks that need guarantees on their
291  timing behavior, e.g., multimedia, streaming, control applications, etc.
292
293 3.1 Definitions
294 ------------------------
295
296  A typical real-time task is composed of a repetition of computation phases
297  (task instances, or jobs) which are activated on a periodic or sporadic
298  fashion.
299  Each job J_j (where J_j is the j^th job of the task) is characterized by an
300  arrival time r_j (the time when the job starts), an amount of computation
301  time c_j needed to finish the job, and a job absolute deadline d_j, which
302  is the time within which the job should be finished. The maximum execution
303  time max{c_j} is called "Worst Case Execution Time" (WCET) for the task.
304  A real-time task can be periodic with period P if r_{j+1} = r_j + P, or
305  sporadic with minimum inter-arrival time P is r_{j+1} >= r_j + P. Finally,
306  d_j = r_j + D, where D is the task's relative deadline.
307  Summing up, a real-time task can be described as
308         Task = (WCET, D, P)
309
310  The utilization of a real-time task is defined as the ratio between its
311  WCET and its period (or minimum inter-arrival time), and represents
312  the fraction of CPU time needed to execute the task.
313
314  If the total utilization U=sum(WCET_i/P_i) is larger than M (with M equal
315  to the number of CPUs), then the scheduler is unable to respect all the
316  deadlines.
317  Note that total utilization is defined as the sum of the utilizations
318  WCET_i/P_i over all the real-time tasks in the system. When considering
319  multiple real-time tasks, the parameters of the i-th task are indicated
320  with the "_i" suffix.
321  Moreover, if the total utilization is larger than M, then we risk starving
322  non- real-time tasks by real-time tasks.
323  If, instead, the total utilization is smaller than M, then non real-time
324  tasks will not be starved and the system might be able to respect all the
325  deadlines.
326  As a matter of fact, in this case it is possible to provide an upper bound
327  for tardiness (defined as the maximum between 0 and the difference
328  between the finishing time of a job and its absolute deadline).
329  More precisely, it can be proven that using a global EDF scheduler the
330  maximum tardiness of each task is smaller or equal than
331         ((M âˆ’ 1) Â· WCET_max âˆ’ WCET_min)/(M âˆ’ (M âˆ’ 2) Â· U_max) + WCET_max
332  where WCET_max = max{WCET_i} is the maximum WCET, WCET_min=min{WCET_i}
333  is the minimum WCET, and U_max = max{WCET_i/P_i} is the maximum
334  utilization[12].
335
336 3.2 Schedulability Analysis for Uniprocessor Systems
337 ------------------------
338
339  If M=1 (uniprocessor system), or in case of partitioned scheduling (each
340  real-time task is statically assigned to one and only one CPU), it is
341  possible to formally check if all the deadlines are respected.
342  If D_i = P_i for all tasks, then EDF is able to respect all the deadlines
343  of all the tasks executing on a CPU if and only if the total utilization
344  of the tasks running on such a CPU is smaller or equal than 1.
345  If D_i != P_i for some task, then it is possible to define the density of
346  a task as WCET_i/min{D_i,P_i}, and EDF is able to respect all the deadlines
347  of all the tasks running on a CPU if the sum of the densities of the tasks
348  running on such a CPU is smaller or equal than 1:
349         sum(WCET_i / min{D_i, P_i}) <= 1
350  It is important to notice that this condition is only sufficient, and not
351  necessary: there are task sets that are schedulable, but do not respect the
352  condition. For example, consider the task set {Task_1,Task_2} composed by
353  Task_1=(50ms,50ms,100ms) and Task_2=(10ms,100ms,100ms).
354  EDF is clearly able to schedule the two tasks without missing any deadline
355  (Task_1 is scheduled as soon as it is released, and finishes just in time
356  to respect its deadline; Task_2 is scheduled immediately after Task_1, hence
357  its response time cannot be larger than 50ms + 10ms = 60ms) even if
358         50 / min{50,100} + 10 / min{100, 100} = 50 / 50 + 10 / 100 = 1.1
359  Of course it is possible to test the exact schedulability of tasks with
360  D_i != P_i (checking a condition that is both sufficient and necessary),
361  but this cannot be done by comparing the total utilization or density with
362  a constant. Instead, the so called "processor demand" approach can be used,
363  computing the total amount of CPU time h(t) needed by all the tasks to
364  respect all of their deadlines in a time interval of size t, and comparing
365  such a time with the interval size t. If h(t) is smaller than t (that is,
366  the amount of time needed by the tasks in a time interval of size t is
367  smaller than the size of the interval) for all the possible values of t, then
368  EDF is able to schedule the tasks respecting all of their deadlines. Since
369  performing this check for all possible values of t is impossible, it has been
370  proven[4,5,6] that it is sufficient to perform the test for values of t
371  between 0 and a maximum value L. The cited papers contain all of the
372  mathematical details and explain how to compute h(t) and L.
373  In any case, this kind of analysis is too complex as well as too
374  time-consuming to be performed on-line. Hence, as explained in Section
375  4 Linux uses an admission test based on the tasks' utilizations.
376
377 3.3 Schedulability Analysis for Multiprocessor Systems
378 ------------------------
379
380  On multiprocessor systems with global EDF scheduling (non partitioned
381  systems), a sufficient test for schedulability can not be based on the
382  utilizations or densities: it can be shown that even if D_i = P_i task
383  sets with utilizations slightly larger than 1 can miss deadlines regardless
384  of the number of CPUs.
385
386  Consider a set {Task_1,...Task_{M+1}} of M+1 tasks on a system with M
387  CPUs, with the first task Task_1=(P,P,P) having period, relative deadline
388  and WCET equal to P. The remaining M tasks Task_i=(e,P-1,P-1) have an
389  arbitrarily small worst case execution time (indicated as "e" here) and a
390  period smaller than the one of the first task. Hence, if all the tasks
391  activate at the same time t, global EDF schedules these M tasks first
392  (because their absolute deadlines are equal to t + P - 1, hence they are
393  smaller than the absolute deadline of Task_1, which is t + P). As a
394  result, Task_1 can be scheduled only at time t + e, and will finish at
395  time t + e + P, after its absolute deadline. The total utilization of the
396  task set is U = M Â· e / (P - 1) + P / P = M Â· e / (P - 1) + 1, and for small
397  values of e this can become very close to 1. This is known as "Dhall's
398  effect"[7]. Note: the example in the original paper by Dhall has been
399  slightly simplified here (for example, Dhall more correctly computed
400  lim_{e->0}U).
401
402  More complex schedulability tests for global EDF have been developed in
403  real-time literature[8,9], but they are not based on a simple comparison
404  between total utilization (or density) and a fixed constant. If all tasks
405  have D_i = P_i, a sufficient schedulability condition can be expressed in
406  a simple way:
407         sum(WCET_i / P_i) <= M - (M - 1) Â· U_max
408  where U_max = max{WCET_i / P_i}[10]. Notice that for U_max = 1,
409  M - (M - 1) Â· U_max becomes M - M + 1 = 1 and this schedulability condition
410  just confirms the Dhall's effect. A more complete survey of the literature
411  about schedulability tests for multi-processor real-time scheduling can be
412  found in [11].
413
414  As seen, enforcing that the total utilization is smaller than M does not
415  guarantee that global EDF schedules the tasks without missing any deadline
416  (in other words, global EDF is not an optimal scheduling algorithm). However,
417  a total utilization smaller than M is enough to guarantee that non real-time
418  tasks are not starved and that the tardiness of real-time tasks has an upper
419  bound[12] (as previously noted). Different bounds on the maximum tardiness
420  experienced by real-time tasks have been developed in various papers[13,14],
421  but the theoretical result that is important for SCHED_DEADLINE is that if
422  the total utilization is smaller or equal than M then the response times of
423  the tasks are limited.
424
425 3.4 Relationship with SCHED_DEADLINE Parameters
426 ------------------------
427
428  Finally, it is important to understand the relationship between the
429  SCHED_DEADLINE scheduling parameters described in Section 2 (runtime,
430  deadline and period) and the real-time task parameters (WCET, D, P)
431  described in this section. Note that the tasks' temporal constraints are
432  represented by its absolute deadlines d_j = r_j + D described above, while
433  SCHED_DEADLINE schedules the tasks according to scheduling deadlines (see
434  Section 2).
435  If an admission test is used to guarantee that the scheduling deadlines
436  are respected, then SCHED_DEADLINE can be used to schedule real-time tasks
437  guaranteeing that all the jobs' deadlines of a task are respected.
438  In order to do this, a task must be scheduled by setting:
439
440   - runtime >= WCET
441   - deadline = D
442   - period <= P
443
444  IOW, if runtime >= WCET and if period is <= P, then the scheduling deadlines
445  and the absolute deadlines (d_j) coincide, so a proper admission control
446  allows to respect the jobs' absolute deadlines for this task (this is what is
447  called "hard schedulability property" and is an extension of Lemma 1 of [2]).
448  Notice that if runtime > deadline the admission control will surely reject
449  this task, as it is not possible to respect its temporal constraints.
450
451  References:
452   1 - C. L. Liu and J. W. Layland. Scheduling algorithms for multiprogram-
453       ming in a hard-real-time environment. Journal of the Association for
454       Computing Machinery, 20(1), 1973.
455   2 - L. Abeni , G. Buttazzo. Integrating Multimedia Applications in Hard
456       Real-Time Systems. Proceedings of the 19th IEEE Real-time Systems
457       Symposium, 1998. http://retis.sssup.it/~giorgio/paps/1998/rtss98-cbs.pdf
458   3 - L. Abeni. Server Mechanisms for Multimedia Applications. ReTiS Lab
459       Technical Report. http://disi.unitn.it/~abeni/tr-98-01.pdf
460   4 - J. Y. Leung and M.L. Merril. A Note on Preemptive Scheduling of
461       Periodic, Real-Time Tasks. Information Processing Letters, vol. 11,
462       no. 3, pp. 115-118, 1980.
463   5 - S. K. Baruah, A. K. Mok and L. E. Rosier. Preemptively Scheduling
464       Hard-Real-Time Sporadic Tasks on One Processor. Proceedings of the
465       11th IEEE Real-time Systems Symposium, 1990.
466   6 - S. K. Baruah, L. E. Rosier and R. R. Howell. Algorithms and Complexity
467       Concerning the Preemptive Scheduling of Periodic Real-Time tasks on
468       One Processor. Real-Time Systems Journal, vol. 4, no. 2, pp 301-324,
469       1990.
470   7 - S. J. Dhall and C. L. Liu. On a real-time scheduling problem. Operations
471       research, vol. 26, no. 1, pp 127-140, 1978.
472   8 - T. Baker. Multiprocessor EDF and Deadline Monotonic Schedulability
473       Analysis. Proceedings of the 24th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2003.
474   9 - T. Baker. An Analysis of EDF Schedulability on a Multiprocessor.
475       IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 16, no. 8,
476       pp 760-768, 2005.
477   10 - J. Goossens, S. Funk and S. Baruah, Priority-Driven Scheduling of
478        Periodic Task Systems on Multiprocessors. Real-Time Systems Journal,
479        vol. 25, no. 2–3, pp. 187–205, 2003.
480   11 - R. Davis and A. Burns. A Survey of Hard Real-Time Scheduling for
481        Multiprocessor Systems. ACM Computing Surveys, vol. 43, no. 4, 2011.
482        http://www-users.cs.york.ac.uk/~robdavis/papers/MPSurveyv5.0.pdf
483   12 - U. C. Devi and J. H. Anderson. Tardiness Bounds under Global EDF
484        Scheduling on a Multiprocessor. Real-Time Systems Journal, vol. 32,
485        no. 2, pp 133-189, 2008.
486   13 - P. Valente and G. Lipari. An Upper Bound to the Lateness of Soft
487        Real-Time Tasks Scheduled by EDF on Multiprocessors. Proceedings of
488        the 26th IEEE Real-Time Systems Symposium, 2005.
489   14 - J. Erickson, U. Devi and S. Baruah. Improved tardiness bounds for
490        Global EDF. Proceedings of the 22nd Euromicro Conference on
491        Real-Time Systems, 2010.
492   15 - G. Lipari, S. Baruah, Greedy reclamation of unused bandwidth in
493        constant-bandwidth servers, 12th IEEE Euromicro Conference on Real-Time
494        Systems, 2000.
495   16 - L. Abeni, J. Lelli, C. Scordino, L. Palopoli, Greedy CPU reclaiming for
496        SCHED DEADLINE. In Proceedings of the Real-Time Linux Workshop (RTLWS),
497        Dusseldorf, Germany, 2014.
498   17 - L. Abeni, G. Lipari, A. Parri, Y. Sun, Multicore CPU reclaiming: parallel
499        or sequential?. In Proceedings of the 31st Annual ACM Symposium on Applied
500        Computing, 2016.
501
502
503 4. Bandwidth management
504 =======================
505
506  As previously mentioned, in order for -deadline scheduling to be
507  effective and useful (that is, to be able to provide "runtime" time units
508  within "deadline"), it is important to have some method to keep the allocation
509  of the available fractions of CPU time to the various tasks under control.
510  This is usually called "admission control" and if it is not performed, then
511  no guarantee can be given on the actual scheduling of the -deadline tasks.
512
513  As already stated in Section 3, a necessary condition to be respected to
514  correctly schedule a set of real-time tasks is that the total utilization
515  is smaller than M. When talking about -deadline tasks, this requires that
516  the sum of the ratio between runtime and period for all tasks is smaller
517  than M. Notice that the ratio runtime/period is equivalent to the utilization
518  of a "traditional" real-time task, and is also often referred to as
519  "bandwidth".
520  The interface used to control the CPU bandwidth that can be allocated
521  to -deadline tasks is similar to the one already used for -rt
522  tasks with real-time group scheduling (a.k.a. RT-throttling - see
523  Documentation/scheduler/sched-rt-group.txt), and is based on readable/
524  writable control files located in procfs (for system wide settings).
525  Notice that per-group settings (controlled through cgroupfs) are still not
526  defined for -deadline tasks, because more discussion is needed in order to
527  figure out how we want to manage SCHED_DEADLINE bandwidth at the task group
528  level.
529
530  A main difference between deadline bandwidth management and RT-throttling
531  is that -deadline tasks have bandwidth on their own (while -rt ones don't!),
532  and thus we don't need a higher level throttling mechanism to enforce the
533  desired bandwidth. In other words, this means that interface parameters are
534  only used at admission control time (i.e., when the user calls
535  sched_setattr()). Scheduling is then performed considering actual tasks'
536  parameters, so that CPU bandwidth is allocated to SCHED_DEADLINE tasks
537  respecting their needs in terms of granularity. Therefore, using this simple
538  interface we can put a cap on total utilization of -deadline tasks (i.e.,
539  \Sum (runtime_i / period_i) < global_dl_utilization_cap).
540
541 4.1 System wide settings
542 ------------------------
543
544  The system wide settings are configured under the /proc virtual file system.
545
546  For now the -rt knobs are used for -deadline admission control and the
547  -deadline runtime is accounted against the -rt runtime. We realize that this
548  isn't entirely desirable; however, it is better to have a small interface for
549  now, and be able to change it easily later. The ideal situation (see 5.) is to
550  run -rt tasks from a -deadline server; in which case the -rt bandwidth is a
551  direct subset of dl_bw.
552
553  This means that, for a root_domain comprising M CPUs, -deadline tasks
554  can be created while the sum of their bandwidths stays below:
555
556    M * (sched_rt_runtime_us / sched_rt_period_us)
557
558  It is also possible to disable this bandwidth management logic, and
559  be thus free of oversubscribing the system up to any arbitrary level.
560  This is done by writing -1 in /proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us.
561
562
563 4.2 Task interface
564 ------------------
565
566  Specifying a periodic/sporadic task that executes for a given amount of
567  runtime at each instance, and that is scheduled according to the urgency of
568  its own timing constraints needs, in general, a way of declaring:
569   - a (maximum/typical) instance execution time,
570   - a minimum interval between consecutive instances,
571   - a time constraint by which each instance must be completed.
572
573  Therefore:
574   * a new struct sched_attr, containing all the necessary fields is
575     provided;
576   * the new scheduling related syscalls that manipulate it, i.e.,
577     sched_setattr() and sched_getattr() are implemented.
578
579  For debugging purposes, the leftover runtime and absolute deadline of a
580  SCHED_DEADLINE task can be retrieved through /proc/<pid>/sched (entries
581  dl.runtime and dl.deadline, both values in ns). A programmatic way to
582  retrieve these values from production code is under discussion.
583
584
585 4.3 Default behavior
586 ---------------------
587
588  The default value for SCHED_DEADLINE bandwidth is to have rt_runtime equal to
589  950000. With rt_period equal to 1000000, by default, it means that -deadline
590  tasks can use at most 95%, multiplied by the number of CPUs that compose the
591  root_domain, for each root_domain.
592  This means that non -deadline tasks will receive at least 5% of the CPU time,
593  and that -deadline tasks will receive their runtime with a guaranteed
594  worst-case delay respect to the "deadline" parameter. If "deadline" = "period"
595  and the cpuset mechanism is used to implement partitioned scheduling (see
596  Section 5), then this simple setting of the bandwidth management is able to
597  deterministically guarantee that -deadline tasks will receive their runtime
598  in a period.
599
600  Finally, notice that in order not to jeopardize the admission control a
601  -deadline task cannot fork.
602
603
604 4.4 Behavior of sched_yield()
605 -----------------------------
606
607  When a SCHED_DEADLINE task calls sched_yield(), it gives up its
608  remaining runtime and is immediately throttled, until the next
609  period, when its runtime will be replenished (a special flag
610  dl_yielded is set and used to handle correctly throttling and runtime
611  replenishment after a call to sched_yield()).
612
613  This behavior of sched_yield() allows the task to wake-up exactly at
614  the beginning of the next period. Also, this may be useful in the
615  future with bandwidth reclaiming mechanisms, where sched_yield() will
616  make the leftoever runtime available for reclamation by other
617  SCHED_DEADLINE tasks.
618
619
620 5. Tasks CPU affinity
621 =====================
622
623  -deadline tasks cannot have an affinity mask smaller that the entire
624  root_domain they are created on. However, affinities can be specified
625  through the cpuset facility (Documentation/cgroup-v1/cpusets.txt).
626
627 5.1 SCHED_DEADLINE and cpusets HOWTO
628 ------------------------------------
629
630  An example of a simple configuration (pin a -deadline task to CPU0)
631  follows (rt-app is used to create a -deadline task).
632
633  mkdir /dev/cpuset
634  mount -t cgroup -o cpuset cpuset /dev/cpuset
635  cd /dev/cpuset
636  mkdir cpu0
637  echo 0 > cpu0/cpuset.cpus
638  echo 0 > cpu0/cpuset.mems
639  echo 1 > cpuset.cpu_exclusive
640  echo 0 > cpuset.sched_load_balance
641  echo 1 > cpu0/cpuset.cpu_exclusive
642  echo 1 > cpu0/cpuset.mem_exclusive
643  echo $$ > cpu0/tasks
644  rt-app -t 100000:10000:d:0 -D5 (it is now actually superfluous to specify
645  task affinity)
646
647 6. Future plans
648 ===============
649
650  Still missing:
651
652   - programmatic way to retrieve current runtime and absolute deadline
653   - refinements to deadline inheritance, especially regarding the possibility
654     of retaining bandwidth isolation among non-interacting tasks. This is
655     being studied from both theoretical and practical points of view, and
656     hopefully we should be able to produce some demonstrative code soon;
657   - (c)group based bandwidth management, and maybe scheduling;
658   - access control for non-root users (and related security concerns to
659     address), which is the best way to allow unprivileged use of the mechanisms
660     and how to prevent non-root users "cheat" the system?
661
662  As already discussed, we are planning also to merge this work with the EDF
663  throttling patches [https://lkml.org/lkml/2010/2/23/239] but we still are in
664  the preliminary phases of the merge and we really seek feedback that would
665  help us decide on the direction it should take.
666
667 Appendix A. Test suite
668 ======================
669
670  The SCHED_DEADLINE policy can be easily tested using two applications that
671  are part of a wider Linux Scheduler validation suite. The suite is
672  available as a GitHub repository: https://github.com/scheduler-tools.
673
674  The first testing application is called rt-app and can be used to
675  start multiple threads with specific parameters. rt-app supports
676  SCHED_{OTHER,FIFO,RR,DEADLINE} scheduling policies and their related
677  parameters (e.g., niceness, priority, runtime/deadline/period). rt-app
678  is a valuable tool, as it can be used to synthetically recreate certain
679  workloads (maybe mimicking real use-cases) and evaluate how the scheduler
680  behaves under such workloads. In this way, results are easily reproducible.
681  rt-app is available at: https://github.com/scheduler-tools/rt-app.
682
683  Thread parameters can be specified from the command line, with something like
684  this:
685
686   # rt-app -t 100000:10000:d -t 150000:20000:f:10 -D5
687
688  The above creates 2 threads. The first one, scheduled by SCHED_DEADLINE,
689  executes for 10ms every 100ms. The second one, scheduled at SCHED_FIFO
690  priority 10, executes for 20ms every 150ms. The test will run for a total
691  of 5 seconds.
692
693  More interestingly, configurations can be described with a json file that
694  can be passed as input to rt-app with something like this:
695
696   # rt-app my_config.json
697
698  The parameters that can be specified with the second method are a superset
699  of the command line options. Please refer to rt-app documentation for more
700  details (<rt-app-sources>/doc/*.json).
701
702  The second testing application is a modification of schedtool, called
703  schedtool-dl, which can be used to setup SCHED_DEADLINE parameters for a
704  certain pid/application. schedtool-dl is available at:
705  https://github.com/scheduler-tools/schedtool-dl.git.
706
707  The usage is straightforward:
708
709   # schedtool -E -t 10000000:100000000 -e ./my_cpuhog_app
710
711  With this, my_cpuhog_app is put to run inside a SCHED_DEADLINE reservation
712  of 10ms every 100ms (note that parameters are expressed in microseconds).
713  You can also use schedtool to create a reservation for an already running
714  application, given that you know its pid:
715
716   # schedtool -E -t 10000000:100000000 my_app_pid
717
718 Appendix B. Minimal main()
719 ==========================
720
721  We provide in what follows a simple (ugly) self-contained code snippet
722  showing how SCHED_DEADLINE reservations can be created by a real-time
723  application developer.
724
725  #define _GNU_SOURCE
726  #include <unistd.h>
727  #include <stdio.h>
728  #include <stdlib.h>
729  #include <string.h>
730  #include <time.h>
731  #include <linux/unistd.h>
732  #include <linux/kernel.h>
733  #include <linux/types.h>
734  #include <sys/syscall.h>
735  #include <pthread.h>
736
737  #define gettid() syscall(__NR_gettid)
738
739  #define SCHED_DEADLINE 6
740
741  /* XXX use the proper syscall numbers */
742  #ifdef __x86_64__
743  #define __NR_sched_setattr             314
744  #define __NR_sched_getattr             315
745  #endif
746
747  #ifdef __i386__
748  #define __NR_sched_setattr             351
749  #define __NR_sched_getattr             352
750  #endif
751
752  #ifdef __arm__
753  #define __NR_sched_setattr             380
754  #define __NR_sched_getattr             381
755  #endif
756
757  static volatile int done;
758
759  struct sched_attr {
760         __u32 size;
761
762         __u32 sched_policy;
763         __u64 sched_flags;
764
765         /* SCHED_NORMAL, SCHED_BATCH */
766         __s32 sched_nice;
767
768         /* SCHED_FIFO, SCHED_RR */
769         __u32 sched_priority;
770
771         /* SCHED_DEADLINE (nsec) */
772         __u64 sched_runtime;
773         __u64 sched_deadline;
774         __u64 sched_period;
775  };
776
777  int sched_setattr(pid_t pid,
778                   const struct sched_attr *attr,
779                   unsigned int flags)
780  {
781         return syscall(__NR_sched_setattr, pid, attr, flags);
782  }
783
784  int sched_getattr(pid_t pid,
785                   struct sched_attr *attr,
786                   unsigned int size,
787                   unsigned int flags)
788  {
789         return syscall(__NR_sched_getattr, pid, attr, size, flags);
790  }
791
792  void *run_deadline(void *data)
793  {
794         struct sched_attr attr;
795         int x = 0;
796         int ret;
797         unsigned int flags = 0;
798
799         printf("deadline thread started [%ld]\n", gettid());
800
801         attr.size = sizeof(attr);
802         attr.sched_flags = 0;
803         attr.sched_nice = 0;
804         attr.sched_priority = 0;
805
806         /* This creates a 10ms/30ms reservation */
807         attr.sched_policy = SCHED_DEADLINE;
808         attr.sched_runtime = 10 * 1000 * 1000;
809         attr.sched_period = attr.sched_deadline = 30 * 1000 * 1000;
810
811         ret = sched_setattr(0, &attr, flags);
812         if (ret < 0) {
813                 done = 0;
814                 perror("sched_setattr");
815                 exit(-1);
816         }
817
818         while (!done) {
819                 x++;
820         }
821
822         printf("deadline thread dies [%ld]\n", gettid());
823         return NULL;
824  }
825
826  int main (int argc, char **argv)
827  {
828         pthread_t thread;
829
830         printf("main thread [%ld]\n", gettid());
831
832         pthread_create(&thread, NULL, run_deadline, NULL);
833
834         sleep(10);
835
836         done = 1;
837         pthread_join(thread, NULL);
838
839         printf("main dies [%ld]\n", gettid());
840         return 0;
841  }