【原创】(四)Linux进程调度-组调度及带宽控制
LoyenWang 人气:0
# 背景
- `Read the fucking source code!` --By 鲁迅
- `A picture is worth a thousand words.` --By 高尔基
说明:
1. Kernel版本:4.14
2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio
# 1. 概述
组调度(`task_group`)是使用Linux `cgroup(control group)`的cpu子系统来实现的,可以将进程进行分组,按组来分配CPU资源等。
比如,看一个实际的例子:
A和B两个用户使用同一台机器,A用户16个进程,B用户2个进程,如果按照进程的个数来分配CPU资源,显然A用户会占据大量的CPU时间,这对于B用户是不公平的。组调度就可以解决这个问题,分别将A、B用户进程划分成组,并将两组的权重设置成占比50%即可。
带宽(`bandwidth`)控制,是用于控制用户组(`task_group`)的CPU带宽,通过设置每个用户组的限额值,可以调整CPU的调度分配。在给定周期内,当用户组消耗CPU的时间超过了限额值,该用户组内的任务将会受到限制。
由于组调度和带宽控制紧密联系,因此本文将探讨这两个主题,本文的讨论都基于CFS调度器,开始吧。
# 2. task_group
- 组调度,在内核中是通过`struct task_group`来组织的,`task_group`本身支持`cfs组调度`和`rt组调度`,本文主要分析`cfs组调度`。
- CFS调度器管理的是`sched_entity`调度实体,`task_struct(代表进程)`和`task_group(代表进程组)`中分别包含`sched_entity`,进而来参与调度;
关于组调度的相关数据结构,组织如下:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310213939298-386758453.png)
- 内核维护了一个全局链表`task_groups`,创建的`task_group`会添加到这个链表中;
- 内核定义了`root_task_group`全局结构,充当`task_group`的根节点,以它为根构建树状结构;
- `struct task_group`的子节点,会加入到父节点的`siblings`链表中;
- 每个`struct task_group`会分配运行队列数组和调度实体数组(以CFS为例,RT调度类似),其中数组的个数为系统CPU的个数,也就是为每个CPU都分配了运行队列和调度实体;
对应到实际的运行中,如下:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214009477-225815245.png)
- `struct cfs_rq`包含了红黑树结构,`sched_entity`调度实体参与调度时,都会挂入到红黑树中,`task_struct`和`task_group`都属于被调度对象;
- `task_group`会为每个CPU再维护一个`cfs_rq`,这个`cfs_rq`用于组织挂在这个任务组上的任务以及子任务组,参考图中的`Group A`;
- 调度器在调度的时候,比如调用`pick_next_task_fair`时,会从遍历队列,选择`sched_entity`,如果发现`sched_entity`对应的是`task_group`,则会继续往下选择;
- 由于`sched_entity`结构中存在`parent`指针,指向它的父结构,因此,系统的运行也能从下而上的进行遍历操作,通常使用函数`walk_tg_tree_from`进行遍历;
## 2.2 task_group权重
- 进程或进程组都有权重的概念,调度器会根据权重来分配CPU的时间。
- 进程组的权重设置,可以通过`/sys`文件系统进行设置,比如操作`/sys/fs/cgoup/cpu/A/shares`;
调用流程如下图:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214059270-591255805.png)
- `sched_group_set_shares`来完成最终的设置;
- `task_group`为每个CPU都分配了一个`sched_entity`,针对当前`sched_entity`设置更新完后,往上对`sched_entity->parent`设置更新,直到根节点;
- `shares`的值计算与`load`相关,因此也需要调用`update_load_avg`进行更新计算;
看一下实际的效果图吧:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214119139-113782827.png)
- 写节点操作可以通过`echo XXX > /sys/fs/cgroup/cpu/A/B/cpu.shares`;
- 橙色的线代表传入参数指向的对象;
- 紫色的线代表每次更新涉及到的对象,包括三个部分;
- 处理完`sched_entity`后,继续按同样的流程处理`sched_entity->parent`;
# 3. cfs_bandwidth
先看一下`/sys/fs/cgroup/cpu`下的内容吧:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214139609-150165770.png)
- 有两个关键的字段:`cfs_period_us`和`cfs_quota_us`,这两个与cfs_bandwidth息息相关;
- `period`表示周期,`quota`表示限额,也就是在`period`期间内,用户组的CPU限额为`quota`值,当超过这个值的时候,用户组将会被限制运行(`throttle`),等到下一个周期开始被解除限制(`unthrottle`);
来一张图直观理解一下:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214212348-1048763810.png)
- 在每个周期内限制在`quota`的配额下,超过了就`throttle`,下一个周期重新开始;
## 3.1 数据结构
内核中使用`struct cfs_bandwidth`来描述带宽,该结构包含在`struct task_group`中。
此外,`struct cfs_rq`中也有与带宽控制相关的字段。
还是来看一下代码吧:
```c
struct cfs_bandwidth {
#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH
raw_spinlock_t lock;
ktime_t period;
u64 quota, runtime;
s64 hierarchical_quota;
u64 runtime_expires;
int idle, period_active;
struct hrtimer period_timer, slack_timer;
struct list_head throttled_cfs_rq;
/* statistics */
int nr_periods, nr_throttled;
u64 throttled_time;
#endif
};
```
- period:周期值;
- quota:限额值;
- runtime:记录限额剩余时间,会使用quota值来周期性赋值;
- hierarchical_quota:层级管理任务组的限额比率;
- runtime_expires:每个周期的到期时间;
- idle:空闲状态,不需要运行时分配;
- period_active:周期性计时已经启动;
- period_timer:高精度周期性定时器,用于重新填充运行时间消耗;
- slack_timer:延迟定时器,在任务出列时,将剩余的运行时间返回到全局池里;
- throttled_cfs_rq:限流运行队列列表;
- nr_periods/nr_throttled/throttled_time:统计值;
`struct cfs_rq`结构中相关字段如下:
```c
struct cfs_rq {
...
#ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH
int runtime_enabled;
u64 runtime_expires;
s64 runtime_remaining;
u64 throttled_clock, throttled_clock_task;
u64 throttled_clock_task_time;
int throttled, throttle_count;
struct list_head throttled_list;
#endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */
...
}
```
- runtime_enabled:周期计时器使能;
- runtime_expires:周期计时器到期时间;
- runtime_remaining:剩余的运行时间;
## 3.2 流程分析
### 3.2.1 初始化流程
先看一下初始化的操作,初始化函数`init_cfs_bandwidth`本身比较简单,完成的工作就是将`struct cfs_bandwidth`结构体进程初始化。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214259138-947344133.png)
- 注册两个高精度定时器:`period_timer`和`slack_timer`;
- `period_timer`定时器,用于在时间到期时重新填充关联的任务组的限额,并在适当的时候`unthrottle`cfs运行队列;
- `slack_timer`定时器,`slack_period`周期默认为5ms,在该定时器函数中也会调用`distribute_cfs_runtime`从全局运行时间中分配runtime;
- `start_cfs_bandwidth`和`start_cfs_slack_bandwidth`分别用于启动定时器运行,其中可以看出在`dequeue_entity`的时候会去利用`slack_timer`,将运行队列的剩余时间返回给`tg->cfs_b`这个`runtime pool`;
- `unthrottle_cfs_rq`函数,会将`throttled_list`中的对应`cfs_rq`删除,并且从下往上遍历任务组,针对每个任务组调用`tg_unthrottle_up`处理,最后也会根据`cfs_rq`对应的`sched_entity`从下往上遍历处理,如果`sched_entity`不在运行队列上,那就重新`enqueue_entity`以便参与调度运行,这个也就完成了解除限制的操作;
`do_sched_cfs_period_timer`函数与`do_sched_cfs_slack_timer()`函数都调用了`distrbute_cfs_runtime()`,该函数用于分发`tg->cfs_b`的全局运行时间`runtime`,用于在该`task_group`中平衡各个CPU上的`cfs_rq`的运行时间`runtime`,来一张示意图:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214327034-866469658.png)
- 系统中两个CPU,因此`task_group`针对每个cpu都维护了一个`cfs_rq`,这些`cfs_rq`来共享该`task_group`的限额运行时间;
- CPU0上的运行时间,浅黄色模块表示超额了,那么在下一个周期的定时器点上会进行弥补处理;
### 3.2.2 用户设置流程
用户可以通过操作`/sys`中的节点来进行设置:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214408643-1763244978.png)
- 操作`/sys/fs/cgroup/cpu/`下的`cfs_quota_us/cfs_period_us`节点,最终会调用到`tg_set_cfs_bandwidth`函数;
- `tg_set_cfs_bandwidth`会从`root_task_group`根节点开始,遍历组调度树,并逐个设置限额比率 ;
- 更新`cfs_bandwidth`的`runtime`信息;
- 如果使能了`cfs_bandwidth`功能,则启动带宽定时器;
- 遍历`task_group`中的每个`cfs_rq`队列,设置`runtime_remaining`值,如果`cfs_rq`队列限流了,则需要进行解除限流操作;
### 3.2.3 `throttle`限流操作
`cfs_rq`运行队列被限制,是在`throttle_cfs_rq`函数中实现的,其中调用关系如下图:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214423221-158953219.png)
- 调度实体`sched_entity`入列时,进行检测是否运行时间已经达到限额,达到则进行限制处理;
- `pick_next_task_fair/put_prev_task_fair`在选择任务调度时,也需要进行检测判断;
### 3.2.4 总结
总体来说,带宽控制的原理就是通过`task_group`中的`cfs_bandwidth`来管理一个全局的时间池,分配给属于这个任务组的运行队列,当超过限额的时候则限制队列的调度。同时,`cfs_bandwidth`维护两个定时器,一个用于周期性的填充限额并进行时间分发处理,一个用于将未用完的时间再返回到时间池中,大抵如此。
组调度和带宽控制就先分析到此,下篇文章将分析`CFS调度器`了,敬请期待。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1771657/202003/1771657-20200310214440102-457715613.jpg)
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