kernel/sched/loadavg.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2 /*
   3  * kernel/sched/loadavg.c
   4  *
   5  * This file contains the magic bits required to compute the global loadavg
   6  * figure. Its a silly number but people think its important. We go through
   7  * great pains to make it work on big machines and tickless kernels.
   8  */
   9
  10 #include <linux/export.h>
  11 #include <linux/sched/loadavg.h>
  12
  13 #include "sched.h"
  14
  15 /*
  16  * Global load-average calculations
  17  *
  18  * We take a distributed and async approach to calculating the global load-avg
  19  * in order to minimize overhead.
  20  *
  21  * The global load average is an exponentially decaying average of nr_running +
  22  * nr_uninterruptible.
  23  *
  24  * Once every LOAD_FREQ:
  25  *
  26  *   nr_active = 0;
  27  *   for_each_possible_cpu(cpu)
  28  *      nr_active += cpu_of(cpu)->nr_running + cpu_of(cpu)->nr_uninterruptible;
  29  *
  30  *   avenrun[n] = avenrun[0] * exp_n + nr_active * (1 - exp_n)
  31  *
  32  * Due to a number of reasons the above turns in the mess below:
  33  *
  34  *  - for_each_possible_cpu() is prohibitively expensive on machines with
  35  *    serious number of cpus, therefore we need to take a distributed approach
  36  *    to calculating nr_active.
  37  *
  38  *        \Sum_i x_i(t) = \Sum_i x_i(t) - x_i(t_0) | x_i(t_0) := 0
  39  *                      = \Sum_i { \Sum_j=1 x_i(t_j) - x_i(t_j-1) }
  40  *
  41  *    So assuming nr_active := 0 when we start out -- true per definition, we
  42  *    can simply take per-cpu deltas and fold those into a global accumulate
  43  *    to obtain the same result. See calc_load_fold_active().
  44  *
  45  *    Furthermore, in order to avoid synchronizing all per-cpu delta folding
  46  *    across the machine, we assume 10 ticks is sufficient time for every
  47  *    cpu to have completed this task.
  48  *
  49  *    This places an upper-bound on the IRQ-off latency of the machine. Then
  50  *    again, being late doesn't loose the delta, just wrecks the sample.
  51  *
  52  *  - cpu_rq()->nr_uninterruptible isn't accurately tracked per-cpu because
  53  *    this would add another cross-cpu cacheline miss and atomic operation
  54  *    to the wakeup path. Instead we increment on whatever cpu the task ran
  55  *    when it went into uninterruptible state and decrement on whatever cpu
  56  *    did the wakeup. This means that only the sum of nr_uninterruptible over
  57  *    all cpus yields the correct result.
  58  *
  59  *  This covers the NO_HZ=n code, for extra head-aches, see the comment below.
  60  */
  61
  62 /* Variables and functions for calc_load */
  63 atomic_long_t calc_load_tasks;
  64 unsigned long calc_load_update;
  65 unsigned long avenrun[3];
  66 EXPORT_SYMBOL(avenrun); /* should be removed */
  67
  68 /**
  69  * get_avenrun - get the load average array
  70  * @loads:      pointer to dest load array
  71  * @offset:     offset to add
  72  * @shift:      shift count to shift the result left
  73  *
  74  * These values are estimates at best, so no need for locking.
  75  */
  76 void get_avenrun(unsigned long *loads, unsigned long offset, int shift)
  77 {
  78         loads[0] = (avenrun[0] + offset) << shift;
  79         loads[1] = (avenrun[1] + offset) << shift;
  80         loads[2] = (avenrun[2] + offset) << shift;
  81 }
  82
  83 long calc_load_fold_active(struct rq *this_rq, long adjust)
  84 {
  85         long nr_active, delta = 0;
  86
  87         nr_active = this_rq->nr_running - adjust;
  88         nr_active += (long)this_rq->nr_uninterruptible;
  89
  90         if (nr_active != this_rq->calc_load_active) {
  91                 delta = nr_active - this_rq->calc_load_active;
  92                 this_rq->calc_load_active = nr_active;
  93         }
  94
  95         return delta;
  96 }
  97
  98 /*
  99  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
 100  */
 101 static unsigned long
 102 calc_load(unsigned long load, unsigned long exp, unsigned long active)
 103 {
 104         unsigned long newload;
 105
 106         newload = load * exp + active * (FIXED_1 - exp);
 107         if (active >= load)
 108                 newload += FIXED_1-1;
 109
 110         return newload / FIXED_1;
 111 }
 112
 113 #ifdef CONFIG_NO_HZ_COMMON
 114 /*
 115  * Handle NO_HZ for the global load-average.
 116  *
 117  * Since the above described distributed algorithm to compute the global
 118  * load-average relies on per-cpu sampling from the tick, it is affected by
 119  * NO_HZ.
 120  *
 121  * The basic idea is to fold the nr_active delta into a global NO_HZ-delta upon
 122  * entering NO_HZ state such that we can include this as an 'extra' cpu delta
 123  * when we read the global state.
 124  *
 125  * Obviously reality has to ruin such a delightfully simple scheme:
 126  *
 127  *  - When we go NO_HZ idle during the window, we can negate our sample
 128  *    contribution, causing under-accounting.
 129  *
 130  *    We avoid this by keeping two NO_HZ-delta counters and flipping them
 131  *    when the window starts, thus separating old and new NO_HZ load.
 132  *
 133  *    The only trick is the slight shift in index flip for read vs write.
 134  *
 135  *        0s            5s            10s           15s
 136  *          +10           +10           +10           +10
 137  *        |-|-----------|-|-----------|-|-----------|-|
 138  *    r:0 0 1           1 0           0 1           1 0
 139  *    w:0 1 1           0 0           1 1           0 0
 140  *
 141  *    This ensures we'll fold the old NO_HZ contribution in this window while
 142  *    accumlating the new one.
 143  *
 144  *  - When we wake up from NO_HZ during the window, we push up our
 145  *    contribution, since we effectively move our sample point to a known
 146  *    busy state.
 147  *
 148  *    This is solved by pushing the window forward, and thus skipping the
 149  *    sample, for this cpu (effectively using the NO_HZ-delta for this cpu which
 150  *    was in effect at the time the window opened). This also solves the issue
 151  *    of having to deal with a cpu having been in NO_HZ for multiple LOAD_FREQ
 152  *    intervals.
 153  *
 154  * When making the ILB scale, we should try to pull this in as well.
 155  */
 156 static atomic_long_t calc_load_nohz[2];
 157 static int calc_load_idx;
 158
 159 static inline int calc_load_write_idx(void)
 160 {
 161         int idx = calc_load_idx;
 162
 163         /*
 164          * See calc_global_nohz(), if we observe the new index, we also
 165          * need to observe the new update time.
 166          */
 167         smp_rmb();
 168
 169         /*
 170          * If the folding window started, make sure we start writing in the
 171          * next NO_HZ-delta.
 172          */
 173         if (!time_before(jiffies, READ_ONCE(calc_load_update)))
 174                 idx++;
 175
 176         return idx & 1;
 177 }
 178
 179 static inline int calc_load_read_idx(void)
 180 {
 181         return calc_load_idx & 1;
 182 }
 183
 184 void calc_load_nohz_start(void)
 185 {
 186         struct rq *this_rq = this_rq();
 187         long delta;
 188
 189         /*
 190          * We're going into NO_HZ mode, if there's any pending delta, fold it
 191          * into the pending NO_HZ delta.
 192          */
 193         delta = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
 194         if (delta) {
 195                 int idx = calc_load_write_idx();
 196
 197                 atomic_long_add(delta, &calc_load_nohz[idx]);
 198         }
 199 }
 200
 201 void calc_load_nohz_stop(void)
 202 {
 203         struct rq *this_rq = this_rq();
 204
 205         /*
 206          * If we're still before the pending sample window, we're done.
 207          */
 208         this_rq->calc_load_update = READ_ONCE(calc_load_update);
 209         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 210                 return;
 211
 212         /*
 213          * We woke inside or after the sample window, this means we're already
 214          * accounted through the nohz accounting, so skip the entire deal and
 215          * sync up for the next window.
 216          */
 217         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update + 10))
 218                 this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 219 }
 220
 221 static long calc_load_nohz_fold(void)
 222 {
 223         int idx = calc_load_read_idx();
 224         long delta = 0;
 225
 226         if (atomic_long_read(&calc_load_nohz[idx]))
 227                 delta = atomic_long_xchg(&calc_load_nohz[idx], 0);
 228
 229         return delta;
 230 }
 231
 232 /**
 233  * fixed_power_int - compute: x^n, in O(log n) time
 234  *
 235  * @x:         base of the power
 236  * @frac_bits: fractional bits of @x
 237  * @n:         power to raise @x to.
 238  *
 239  * By exploiting the relation between the definition of the natural power
 240  * function: x^n := x*x*...*x (x multiplied by itself for n times), and
 241  * the binary encoding of numbers used by computers: n := \Sum n_i * 2^i,
 242  * (where: n_i \elem {0, 1}, the binary vector representing n),
 243  * we find: x^n := x^(\Sum n_i * 2^i) := \Prod x^(n_i * 2^i), which is
 244  * of course trivially computable in O(log_2 n), the length of our binary
 245  * vector.
 246  */
 247 static unsigned long
 248 fixed_power_int(unsigned long x, unsigned int frac_bits, unsigned int n)
 249 {
 250         unsigned long result = 1UL << frac_bits;
 251
 252         if (n) {
 253                 for (;;) {
 254                         if (n & 1) {
 255                                 result *= x;
 256                                 result += 1UL << (frac_bits - 1);
 257                                 result >>= frac_bits;
 258                         }
 259                         n >>= 1;
 260                         if (!n)
 261                                 break;
 262                         x *= x;
 263                         x += 1UL << (frac_bits - 1);
 264                         x >>= frac_bits;
 265                 }
 266         }
 267
 268         return result;
 269 }
 270
 271 /*
 272  * a1 = a0 * e + a * (1 - e)
 273  *
 274  * a2 = a1 * e + a * (1 - e)
 275  *    = (a0 * e + a * (1 - e)) * e + a * (1 - e)
 276  *    = a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)
 277  *
 278  * a3 = a2 * e + a * (1 - e)
 279  *    = (a0 * e^2 + a * (1 - e) * (1 + e)) * e + a * (1 - e)
 280  *    = a0 * e^3 + a * (1 - e) * (1 + e + e^2)
 281  *
 282  *  ...
 283  *
 284  * an = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 + e + ... + e^n-1) [1]
 285  *    = a0 * e^n + a * (1 - e) * (1 - e^n)/(1 - e)
 286  *    = a0 * e^n + a * (1 - e^n)
 287  *
 288  * [1] application of the geometric series:
 289  *
 290  *              n         1 - x^(n+1)
 291  *     S_n := \Sum x^i = -------------
 292  *             i=0          1 - x
 293  */
 294 static unsigned long
 295 calc_load_n(unsigned long load, unsigned long exp,
 296             unsigned long active, unsigned int n)
 297 {
 298         return calc_load(load, fixed_power_int(exp, FSHIFT, n), active);
 299 }
 300
 301 /*
 302  * NO_HZ can leave us missing all per-cpu ticks calling
 303  * calc_load_fold_active(), but since a NO_HZ CPU folds its delta into
 304  * calc_load_nohz per calc_load_nohz_start(), all we need to do is fold
 305  * in the pending NO_HZ delta if our NO_HZ period crossed a load cycle boundary.
 306  *
 307  * Once we've updated the global active value, we need to apply the exponential
 308  * weights adjusted to the number of cycles missed.
 309  */
 310 static void calc_global_nohz(void)
 311 {
 312         unsigned long sample_window;
 313         long delta, active, n;
 314
 315         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 316         if (!time_before(jiffies, sample_window + 10)) {
 317                 /*
 318                  * Catch-up, fold however many we are behind still
 319                  */
 320                 delta = jiffies - sample_window - 10;
 321                 n = 1 + (delta / LOAD_FREQ);
 322
 323                 active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 324                 active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 325
 326                 avenrun[0] = calc_load_n(avenrun[0], EXP_1, active, n);
 327                 avenrun[1] = calc_load_n(avenrun[1], EXP_5, active, n);
 328                 avenrun[2] = calc_load_n(avenrun[2], EXP_15, active, n);
 329
 330                 WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + n * LOAD_FREQ);
 331         }
 332
 333         /*
 334          * Flip the NO_HZ index...
 335          *
 336          * Make sure we first write the new time then flip the index, so that
 337          * calc_load_write_idx() will see the new time when it reads the new
 338          * index, this avoids a double flip messing things up.
 339          */
 340         smp_wmb();
 341         calc_load_idx++;
 342 }
 343 #else /* !CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 344
 345 static inline long calc_load_nohz_fold(void) { return 0; }
 346 static inline void calc_global_nohz(void) { }
 347
 348 #endif /* CONFIG_NO_HZ_COMMON */
 349
 350 /*
 351  * calc_load - update the avenrun load estimates 10 ticks after the
 352  * CPUs have updated calc_load_tasks.
 353  *
 354  * Called from the global timer code.
 355  */
 356 void calc_global_load(unsigned long ticks)
 357 {
 358         unsigned long sample_window;
 359         long active, delta;
 360
 361         sample_window = READ_ONCE(calc_load_update);
 362         if (time_before(jiffies, sample_window + 10))
 363                 return;
 364
 365         /*
 366          * Fold the 'old' NO_HZ-delta to include all NO_HZ cpus.
 367          */
 368         delta = calc_load_nohz_fold();
 369         if (delta)
 370                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 371
 372         active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
 373         active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;
 374
 375         avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
 376         avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
 377         avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);
 378
 379         WRITE_ONCE(calc_load_update, sample_window + LOAD_FREQ);
 380
 381         /*
 382          * In case we went to NO_HZ for multiple LOAD_FREQ intervals
 383          * catch up in bulk.
 384          */
 385         calc_global_nohz();
 386 }
 387
 388 /*
 389  * Called from scheduler_tick() to periodically update this CPU's
 390  * active count.
 391  */
 392 void calc_global_load_tick(struct rq *this_rq)
 393 {
 394         long delta;
 395
 396         if (time_before(jiffies, this_rq->calc_load_update))
 397                 return;
 398
 399         delta  = calc_load_fold_active(this_rq, 0);
 400         if (delta)
 401                 atomic_long_add(delta, &calc_load_tasks);
 402
 403         this_rq->calc_load_update += LOAD_FREQ;
 404 }