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2 .. include:: ../disclaimer-zh_CN.rst
4 :Original: Documentation/scheduler/sched-capacity.rst
8 唐艺舟 Tang Yizhou <tangyeechou@gmail.com>
12 时奎亮 Alex Shi <alexs@kernel.org>
24 一般来说,同构的SMP平台由完全相同的CPU构成。异构的平台则由性能特征不同的CPU构成,在这样的
27 我们引入CPU算力(capacity)的概念来测量每个CPU能达到的性能,它的值相对系统中性能最强的CPU
28 做过归一化处理。异构系统也被称为非对称CPU算力系统,因为它们由不同算力的CPU组成。
30 最大可达性能(换言之,最大CPU算力)的差异有两个主要来源:
33 - 在动态电压频率升降(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)框架中,不是所有的CPU都
34 能达到一样高的操作性能值(Operating Performance Points,OPP。译注,也就是“频率-电压”对)。
36 Arm大小核(big.LITTLE)系统是同时具有两种差异的一个例子。相较小核,大核面向性能(拥有更多的
37 流水线层级,更大的缓存,更智能的分支预测器等),通常可以达到更高的操作性能值。
39 CPU性能通常由每秒百万指令(Millions of Instructions Per Second,MIPS)表示,也可表示为
42 capacity(cpu) = work_per_hz(cpu) * max_freq(cpu)
47 调度器使用了两种不同的算力值。CPU的 ``capacity_orig`` 是它的最大可达算力,即最大可达性能等级。
48 CPU的 ``capacity`` 是 ``capacity_orig`` 扣除了一些性能损失(比如处理中断的耗时)的值。
50 注意CPU的 ``capacity`` 仅仅被设计用于CFS调度类,而 ``capacity_orig`` 是不感知调度类的。为
51 简洁起见,本文档的剩余部分将不加区分的使用术语 ``capacity`` 和 ``capacity_orig`` 。
59 考虑一个假想的双核非对称CPU算力系统,其中
61 - work_per_hz(CPU0) = W
62 - work_per_hz(CPU1) = W/2
68 - capacity(CPU1) = C/2
70 若这是Arm大小核系统,那么CPU0是大核,而CPU1是小核。
72 考虑一种周期性产生固定工作量的工作负载,你将会得到类似下图的执行轨迹::
77 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
80 | _________ _________ ____
82 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
84 CPU0在系统中具有最高算力(C),它使用T个单位时间完成固定工作量W。另一方面,CPU1只有CPU0一半
85 算力,因此在T个单位时间内仅完成工作量W/2。
88 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
90 具有不同算力值的CPU,通常来说最大操作性能值也不同。考虑上一小节提到的CPU(也就是说,
94 - max_freq(CPU1) = 2/3 * F
99 - capacity(CPU1) = C/3
101 执行1.3.1节描述的工作负载,每个CPU按最大频率运行,结果为::
106 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
110 | ______________ ______________ ____
112 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
115 --------------------------
117 需要注意的是,使用单一值来表示CPU性能的差异是有些争议的。两个不同的微架构的相对性能差异应该
118 描述为:X%整数运算差异,Y%浮点数运算差异,Z%分支跳转差异,等等。尽管如此,使用简单计算方式
127 算力感知调度要求描述任务需求,描述方式要和CPU算力相关。每个调度类可以用不同的方式描述它。
128 任务使用率是CFS独有的描述方式,不过在这里介绍它有助于引入更多一般性的概念。
130 任务使用率是一种用百分比来描述任务吞吐率需求的方式。一个简单的近似是任务的占空比,也就是说::
132 task_util(p) = duty_cycle(p)
134 在频率固定的SMP系统中,100%的利用率意味着任务是忙等待循环。反之,10%的利用率暗示这是一个
135 小周期任务,它在睡眠上花费的时间比执行更多。
140 一个需要考虑的议题是,工作负载的占空比受CPU正在运行的操作性能值直接影响。考虑以给定的频率F
146 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
148 可以算出 duty_cycle(p) == 25%。
150 现在,考虑以给定频率F/2执行 *同一个* 工作负载::
153 | _________ _________ ____
155 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
157 可以算出 duty_cycle(p) == 50%,尽管两次执行中,任务的行为完全一致(也就是说,执行的工作量
160 任务利用率信号可按下面公式处理成频率不变的(译注:这里的术语用到了信号与系统的概念)::
162 task_util_freq_inv(p) = duty_cycle(p) * (curr_frequency(cpu) / max_frequency(cpu))
164 对上面两个例子运用该公式,可以算出频率不变的任务利用率均为25%。
169 CPU算力与任务利用率具有类型的效应,在算力不同的CPU上执行完全相同的工作负载,将算出不同的
175 - capacity(CPU1) = C/3
177 每个CPU按最大频率执行指定周期性工作负载,结果为::
182 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
185 | ______________ ______________ ____
187 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
191 - duty_cycle(p) == 25%,如果任务p在CPU0上按最大频率运行。
192 - duty_cycle(p) == 75%,如果任务p在CPU1上按最大频率运行。
194 任务利用率信号可按下面公式处理成CPU算力不变的::
196 task_util_cpu_inv(p) = duty_cycle(p) * (capacity(cpu) / max_capacity)
198 其中 ``max_capacity`` 是系统中最高的CPU算力。对上面的例子运用该公式,可以算出CPU算力不变
204 频率和CPU算力不变性都需要被应用到任务利用率的计算中,以便求出真正的不变信号。
205 任务利用率的伪计算公式是同时具备CPU和频率不变性的,也就是说,对于指定任务p::
207 curr_frequency(cpu) capacity(cpu)
208 task_util_inv(p) = duty_cycle(p) * ------------------- * -------------
209 max_frequency(cpu) max_capacity
211 也就是说,任务利用率不变量假定任务在系统中最高算力CPU上以最高频率运行,以此描述任务的行为。
213 在接下来的章节中提到的任何任务利用率,均是不变量的形式。
218 由于预测未来的水晶球不存在,当任务第一次变成可运行时,任务的行为和任务利用率均不能被准确预测。
219 CFS调度类基于实体负载跟踪机制(Per-Entity Load Tracking, PELT)维护了少量CPU和任务信号,
220 其中之一可以算出平均利用率(与瞬时相反)。
222 这意味着,尽管运用“真实的”任务利用率(凭借水晶球)写出算力感知调度的准则,但是它的实现将只能
226 =====================
231 当前,Linux无法凭自身算出CPU算力,因此必须要有把这个信息传递给Linux的方式。每个架构必须为此
232 定义arch_scale_cpu_capacity()函数。
234 arm和arm64架构直接把这个信息映射到arch_topology驱动的CPU scaling数据中(译注:参考
235 arch_topology.h的percpu变量cpu_scale),它是从capacity-dmips-mhz CPU binding中衍生计算
236 出来的。参见Documentation/devicetree/bindings/arm/cpu-capacity.txt。
241 如2.2节所述,算力感知调度需要频率不变的任务利用率。每个架构必须为此定义
242 arch_scale_freq_capacity(cpu)函数。
244 实现该函数要求计算出每个CPU当前以什么频率在运行。实现它的一种方式是利用硬件计数器(x86的
245 APERF/MPERF,arm64的AMU),它能按CPU当前频率动态可扩展地升降递增计数器的速率。另一种方式是
246 在cpufreq频率变化时直接使用钩子函数,内核此时感知到将要被切换的频率(也被arm/arm64实现了)。
251 在构建调度域时,调度器将会发现系统是否表现为非对称CPU算力。如果是,那么:
253 - sched_asym_cpucapacity静态键(static key)将使能。
254 - SD_ASYM_CPUCAPACITY_FULL标志位将在尽量最低调度域层级中被设置,同时要满足条件:调度域恰好
256 - SD_ASYM_CPUCAPACITY标志将在所有包含非对称CPU的调度域中被设置。
258 sched_asym_cpucapacity静态键的设计意图是,保护为非对称CPU算力系统所准备的代码。不过要注意的
259 是,这个键是系统范围可见的。想象下面使用了cpuset的步骤::
265 \__/ \______________/
272 mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/cs0
273 echo 0-1 > /sys/fs/cgroup/cpuset/cs0/cpuset.cpus
274 echo 0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/cs0/cpuset.mems
276 mkdir /sys/fs/cgroup/cpuset/cs1
277 echo 2-7 > /sys/fs/cgroup/cpuset/cs1/cpuset.cpus
278 echo 0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/cs1/cpuset.mems
280 echo 0 > /sys/fs/cgroup/cpuset/cpuset.sched_load_balance
282 由于“这是”非对称CPU算力系统,sched_asym_cpucapacity静态键将使能。然而,CPU 0--1对应的
283 调度域层级,算力值仅有一个,该层级中SD_ASYM_CPUCAPACITY未被设置,它描述的是一个SMP区域,也
286 因此,“典型的”保护非对称CPU算力代码路径的代码模式是:
288 - 检查sched_asym_cpucapacity静态键
289 - 如果它被使能,接着检查调度域层级中SD_ASYM_CPUCAPACITY标志位是否出现
292 =====================
298 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
302 task_util(p) < capacity(task_cpu(p))
304 它通常被称为算力适应性准则。也就是说,CFS必须保证任务“适合”在某个CPU上运行。如果准则被违反,
305 任务将要更长地消耗该CPU,任务是CPU受限的(CPU-bound)。
307 此外,uclamp允许用户空间指定任务的最小和最大利用率,要么以sched_setattr()的方式,要么以
308 cgroup接口的方式(参阅Documentation/admin-guide/cgroup-v2.rst)。如其名字所暗示,uclamp
309 可以被用在前一条准则中限制task_util()。
312 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
314 CFS任务唤醒的CPU选择,遵循上面描述的算力适应性准则。在此之上,uclamp被用来限制任务利用率,
315 这令用户空间对CFS任务的CPU选择有更多的控制。也就是说,CFS被唤醒任务的CPU选择,搜索满足以下
318 clamp(task_util(p), task_uclamp_min(p), task_uclamp_max(p)) < capacity(cpu)
320 通过使用uclamp,举例来说,用户空间可以允许忙等待循环(100%使用率)在任意CPU上运行,只要给
321 它设置低的uclamp.max值。相反,uclamp能强制一个小的周期性任务(比如,10%利用率)在最高性能
322 的CPU上运行,只要给它设置高的uclamp.min值。
326 CFS的被唤醒的任务的CPU选择,可被能耗感知调度(Energy Aware Scheduling,EAS)覆盖,在
327 Documentation/scheduler/sched-energy.rst中描述。
332 被唤醒任务的CPU选择的一个病理性的例子是,任务几乎不睡眠,那么也几乎不发生唤醒。考虑::
337 capacity(CPU1) = C / 3
341 | _________ _________ ____
343 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+-> time
348 | ____________________________________________
350 +----+----+----+----+----+----+----+----+----+----+->
353 该工作负载应该在CPU0上运行,不过如果任务满足以下条件之一:
355 - 一开始发生不合适的调度(不准确的初始利用率估计)
356 - 一开始调度正确,但突然需要更多的处理器功率
358 则任务可能变为CPU受限的,也就是说 ``task_util(p) > capacity(task_cpu(p))`` ;CPU算力
359 调度准则被违反,将不会有任何唤醒事件来修复这个错误的CPU选择。
361 这种场景下的任务被称为“不合适的”(misfit)任务,处理这个场景的机制同样也以此命名。Misfit
362 任务迁移借助CFS负载均衡器,更明确的说,是主动负载均衡的部分(用来迁移正在运行的任务)。
363 当发生负载均衡时,如果一个misfit任务可以被迁移到一个相较当前运行的CPU具有更高算力的CPU上,
364 那么misfit任务的主动负载均衡将被触发。
370 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
372 实时任务唤醒时的CPU选择,搜索满足以下条件的CPU::
374 task_uclamp_min(p) <= capacity(task_cpu(cpu))
376 同时仍然允许接着使用常规的优先级限制。如果没有CPU能满足这个算力准则,那么将使用基于严格
383 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
385 最后期限任务唤醒时的CPU选择,搜索满足以下条件的CPU::
387 task_bandwidth(p) < capacity(task_cpu(p))
389 同时仍然允许接着使用常规的带宽和截止期限限制。如果没有CPU能满足这个算力准则,那么任务依然