Skip to main content
 首页 » 操作系统

Linux进程调度之组调度及带宽控制_学习笔记

2022年07月19日30jillzhang

一、学习笔记

说明:
Kernel版本:4.14

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
(1) 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。
(2) 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:

(1) 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;
(2) 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;
(3) struct task_group的子节点,会加入到父节点的children链表中;
(4) 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:

(1) 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;
(2) 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;
(3) 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;
(4) 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:

(1) sched_group_set_shares来完成最终的设置;
(2) 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;
(3) 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:

(1) 写节点操作可以通过: echo XXX > /sys/fs/cgroup/cpu/A/B/cpu.shares;
(2) 橙色的线代表传入参数指向的对象;
(3) 紫色的线代表每次更新涉及到的对象,包括三个部分;
(4) 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:

(1) 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;
(2) 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:

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:

struct cfs_bandwidth { 
    #ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH 
    raw_spinlock_t lock; 
    ktime_t period;         //周期值; 
    u64 quota, runtime;     //quota: 限额值;runtime: 记录限额剩余时间,会使用quota值来周期性赋值; 
    s64 hierarchical_quota; //层级管理任务组的限额比率; 
    u64 runtime_expires;    //每个周期的到期时间; 
 
    int idle, period_active; //idle:空闲状态,不需要运行时分配;period_active: 周期性计时已经启动; 
    struct hrtimer period_timer, slack_timer; //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; 
    struct list_head throttled_cfs_rq; //限流运行队列列表; 
 
    /* statistics */ 
    int nr_periods, nr_throttled; //统计值; 
    u64 throttled_time; //统计值; 
    #endif 
};

struct cfs_rq结构中相关字段如下:

struct cfs_rq { 
    ... 
    #ifdef CONFIG_CFS_BANDWIDTH 
    int runtime_enabled; //周期计时器使能; 
    u64 runtime_expires; //周期计时器到期时间; 
    s64 runtime_remaining; //剩余的运行时间; 
 
    u64 throttled_clock, throttled_clock_task; 
    u64 throttled_clock_task_time; 
    int throttled, throttle_count; 
    struct list_head throttled_list; 
    #endif /* CONFIG_CFS_BANDWIDTH */ 
    ... 
}

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。

(1) 注册两个高精度定时器:period_timer 和 slack_timer;
(2) 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unthrottlecfs运行队列;
(3) 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;
(4) 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;
(5) 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:

(1) 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;
(2) 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:

(1) 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;
(2) 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 ;
(3) 更新cfs_bandwidth的runtime信息;
(4) 如果使能了cfs_bandwidth功能,则启动带宽定时器;
(5) 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:

(1) 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;
(2) 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。

参考:

(四)Linux进程调度-组调度及带宽控制


本文参考链接:https://www.cnblogs.com/hellokitty2/p/14323164.html