极简组调度-CGroup如何限制cpu

2023-04-15 08:52 由 organic 发表于 #操作系统

1. 说明

1> linux内核关于task调度这块是比较复杂的，流程也比较长，要从源码一一讲清楚很容易看晕，因此需要简化，抓住主要的一个点，抛开无关的部分才能讲清楚核心思想

2> 本篇文章主要是讲清楚在cfs公平调度算法中，CGroup如何限制cpu使用的主要过程，所以与此无关的代码一律略过

3> 本篇源码来自CentOS7.6的3.10.0-957.el7内核

4> 本篇内容以《极简cfs公平调度算法》为基础，里面讲过的内容这里就不重复了

5> 为了极简，这里略去了CGroup嵌套的情况

2. CGroup控制cpu配置

CGroup控制cpu网上教程很多，这里就不重点讲了，简单举个创建名为test的CGroup的基本流程

1> 创建一个/sys/fs/cgroup/cpu/test目录

2> 创建文件cpu.cfs_period_us并写入100000，创建cpu.cfs_quota_us并写入10000

表示每隔100ms(cfs_period_us)给test group分配一次cpu配额10ms(cfs_quota_us)，在100ms的周期内，group中的进程最多使用10ms的cpu时长，这样就能限制这个group最多使用单核10ms/100ms = 10%的cpu

3> 最后创建文件cgroup.procs，写入要限制cpu的pid即生效

3. CGroup控制cpu基本思想

1> 《极简cfs公平调度算法》中我们讲过cfs调度是以se为调度实例的，而不是task，因为group se也是一种调度实例，所以将调度实例抽象为se，统一以se进行调度

2> CGroup会设置一个cfs_period_us的时长的定时器，定时给group分配cfs_quota_us指定的cpu配额

3> 每次group下的task执行完一个时间片后，就会从group的cpu quota减去该task使用的cpu时长

4> 当group的cpu quota用完后，就会将整个group se throttle，即将其从公平调度运行队列中移出，然后等待定时器触发下个周期重新分配cpu quota后，重启将group se移入到cpu rq上，从而达到控制cpu的效果。

一句话说明CGroup的控制cpu基本思想：

进程执行完一个时间片后，从cpu quota中减去其执行时间，当quota使用完后，就将其从rq中移除，这样在一个period内就不会再调度了。

4. 极简CGroup控制cpu相关数据结构

4.1 名词解释

	说明
task group	进程组，为了支持CGroup控制cpu，引入了组调度的概念，task group即包含所有要控制cpu的task集合以及配置信息。
group task	本文的专有名词，是指一个进程组下的task，这些task受一个CGroup控制
cfs_bandwidth	task_group的重要成员，包含了所要控制cpu的period，quota，定时器等信息
throttle	当group se在一个设定的时间周期内，消耗完了指定的cpu配额，则将其从cpu运行队列中移出，并不再调度。注意：处于throttled状态的task仍是Ready状态的，只是不在rq上。
unthrottle	将throttle状态的group se，重新加入到cpu运行队列中调度。

4.2 cfs调度相关数据结构

struct cfs_rq
{
    struct rb_root tasks_timeline;                      // 以vruntime为key，se为value的红黑树根节点，schedule时，cfs调度算法每次从这里挑选vruntime最小的se投入运行
    struct rb_node* rb_leftmost;                        // 最左的叶子节点，即vruntime最小的se，直接取这个节点以加快速度
    sched_entity* curr;                                 // cfs_rq中当前正在运行的se
    struct rq* rq;                                       /* cpu runqueue to which this  cfs_rq is attached */
    struct task_group* tg;                              /* group that "owns" this  runqueue */
    int throttled;                                      // 表示该cfs_rq所属的group se是否被throttled
    s64 runtime_remaining;                              // cfs_rq从全局时间池申请的时间片剩余时间，当剩余时间小于等于0的时候，就需要重新申请时间片
};
 
struct sched_entity
{
    unsigned int            on_rq;                          // se是否在rq上，不在的话即使task是Ready状态也不会投入运行的
    u64              vruntime;                              // cpu运行时长，cfs调度算法总是选择该值最小的se投入运行
    /* rq on which this entity is (to be) queued: */
    struct cfs_rq* cfs_rq;                        // se所在的cfs_rq，如果是普通task  se，等于rq的cfs_rq，如果是group中的task，则等于group的cfs_rq
    /* rq "owned" by this entity/group: */
    struct cfs_rq* my_q;                          // my_q == NULL表示是一个普通task se，否则表示是一个group se，my_q指向group的cfs_rq
};
 
struct task
{
    struct sched_entity se;
};
 
struct rq
{
    struct cfs_rq cfs;                          // 所有要调度的se都挂在cfs rq中
    struct task_struct* curr;                   // 当前cpu上运行的task
};

本文中的sched_entity定义比《极简cfs公平调度算法》中的要复杂些，各种cfs_rq容易搞混，这里讲一下cfs公平调度挑选group task调度流程（只用到了my_q这个cfs_rq），以梳理清楚其关系

1> 当se.my_q为NULL时，表示一个task se，否则是group se

2> 选择当group task3的流程

3> 选择当group task的代码

task_struct *pick_next_task_fair(struct rq *rq)
{
    struct cfs_rq *cfs_rq = &rq->cfs;       // 开始的cfs_rq为rq的cfs
    do {
        se = pick_next_entity(cfs_rq);      // 《极简cfs公平调度算法》中讲过这个函数，其就是取cfs_rq->rb_leftmost，即最小vruntime的se
        cfs_rq = group_cfs_rq(se);          // 取se.my_q，如果是普通的task se，cfs_rq = NULL，这里就会退出循环，如果是group se，cfs_rq = group_se.my_q，然后在group se的cfs_rq中继续寻找vruntime最小的se
    } while (cfs_rq);
  
    return task_of(se);
}
 
cfs_rq *group_cfs_rq(struct sched_entity *grp)
{
    return grp->my_q;
}

4.3 CGroup控制cpu的数据结构

struct cfs_bandwidth
{
    ktime_t period;                             // cpu.cfs_period_us的值
    u64 quota;                                  // cpu.cfs_quota_us的值
    u64 runtime;                                // 当前周期内剩余的quota时间
    int timer_active;                           // period_timer是否激活
    struct hrtimer period_timer;                // 定时分配cpu quota的定时器，定时器触发时会更新runtime
};
 
struct task_group
{
    struct sched_entity** se;                   /* schedulable entities of this group  on each cpu */
    struct cfs_rq** cfs_rq;                     /* runqueue "owned" by this group on  each cpu */
    struct cfs_bandwidth cfs_bandwidth;         // 管理记录CGroup控制cpu的信息
};

1> task_group.se是一个数组，每个cpu都有一个其对应的group se

2>task_group.cfs_rq也是一个数组，每个cpu都有一个其对应的cfs_rq，每个cpu上的group se.my_q指向该cpu上对应的group cfs_rq，group下的task.se.cfs_rq也指向该group cfs_rq

3> cfs_bandwidth是CGroup管理控制cpu的关键数据结构，具体用途见定义

5. 极简流程图

从throttle到unthrottle：

6. 极简code

6.1 检测group se cpu quota的使用

1>《极简cfs公平调度算法》中我们讲过，task调度的发动机时钟中断触发后，经过层层调用，会到update_curr()这里，update_curr()不仅++了当前se的vruntime，还调用 account_cfs_rq_runtime()统计并检测group se是否使用完了cpu quota

void update_curr(struct cfs_rq* cfs_rq)
{
    struct sched_entity* curr = cfs_rq->curr;
    curr->vruntime += delta_exec;   // 增加se的运行时间
    account_cfs_rq_runtime(cfs_rq, delta_exec);
}

2> account_cfs_rq_runtime()--了cfs_rq->runtime_remaining，如果runtime_remaining不足就调用assign_cfs_rq_runtime()从task group中分配，当分配不到（即表示当前周期的cpu quota用完了）就设置resched标记

void account_cfs_rq_runtime(struct cfs_rq* cfs_rq, u64 delta_exec)
{
    cfs_rq->runtime_remaining -= delta_exec;
    if (cfs_rq->runtime_remaining > 0)
        return;
    // 如果runtime_remaining不够了，则要向task group分配cpu quota，分配失败则设置task的thread flag为TIF_NEED_RESCHED，表示需要重新调度
    if (!assign_cfs_rq_runtime(cfs_rq) && likely(cfs_rq->curr))
        resched_curr(cfs_rq->rq);
}

3> assign_cfs_rq_runtime()就是从task_group.cfs_bandwidth.runtime减去要分配的时间片，如果其为0就分配失败

/* returns 0 on failure to allocate runtime */
int assign_cfs_rq_runtime(struct cfs_rq* cfs_rq)
{
    struct cfs_bandwidth* cfs_b = cfs_rq->tg->cfs_bandwidth;;
 
    // 如果有限制cpu，则减去最小分配时间，如果cfs_b->runtime为0，那就没有时间可分配了，本函数就会返回0，表示分配失败
    amount = min(cfs_b->runtime, min_amount);
    cfs_b->runtime -= amount;
    cfs_rq->runtime_remaining += amount;
    return cfs_rq->runtime_remaining > 0;
}

6.2 throttle

6.1中我们看到cpu quota被使用完了，标记了resched，要进行重新调度了，但并没有看到throttle。这是因为上面的代码还在中断处理函数中，是不能进行实际调度的，所以只设置resched标记，真正throttle干活的还是在schedule()中（还记得《极简cfs公平调度算法》中讲的task运行时间片到了后，进行task切换，也是这样干的吗？）

1> 每次中断返回返回或系统调用返回时(见ret_from_intr)，都会判定TIF_NEED_RESCHED标记，如有则会调用schedule()重新调度，《极简cfs公平调度算法》中未暂开讲put_prev_task_fair()，而throttle就是在这里干的

void schedule()
{
    prev = rq->curr;
    put_prev_task_fair(rq, prev);
    // 选择下一个task并切换运行
    next = pick_next_task(rq);
    context_switch(rq, prev, next);
}

2> put_prev_task_fair() → put_prev_entity() → check_cfs_rq_runtime()

void put_prev_task_fair(struct rq* rq, struct task_struct* prev)
{
    struct sched_entity* se = &prev->se;
    put_prev_entity(se->cfs_rq, se);
}
 
void put_prev_entity(struct cfs_rq* cfs_rq, struct sched_entity* prev)
{
    check_cfs_rq_runtime(cfs_rq);
}

3> check_cfs_rq_runtime()这里判定runtime_remaining不足时，就要调用throttle_cfs_rq()进行throttle

void check_cfs_rq_runtime(struct cfs_rq* cfs_rq)
{
    if (cfs_rq->runtime_remaining > 0)
        return;
    throttle_cfs_rq(cfs_rq);
}

4> throttle_cfs_rq()将group se从rq.cfs_rq中移除，这样整个group下的task就不再会被调度了

void throttle_cfs_rq(struct cfs_rq* cfs_rq)
{
    struct sched_entity*  se = cfs_rq->tg->se[cpu_of(rq_of(cfs_rq))];       // 取对应cpu rq上的group se
    dequeue_entity(se->cfs_rq, se, DEQUEUE_SLEEP);                          //从cpu rq中删除group se
    cfs_rq->throttled = 1;                                                  // 标记group cfs_rq被throttled
}

6.3 cpu quota重新分配

6.2中group se被从rq移除后，不再会被调度，这时经过一个period周期，定时器激活后，就会再次加入到rq中重新调度

1> cfs_bandwidth的定期器初始化回调函数为sched_cfs_period_timer()

viod init_cfs_bandwidth(struct cfs_bandwidth* cfs_b)
{
    hrtimer_init(&cfs_b->period_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);
    cfs_b->period_timer.function = sched_cfs_period_timer;
}

2> 定时器到期后回调sched_cfs_period_timer()，其只是简单调用实际干活的do_sched_cfs_period_timer()

enum hrtimer_restart sched_cfs_period_timer(struct hrtimer* timer)
{
    idle = do_sched_cfs_period_timer(cfs_b, overrun);
    return idle ? HRTIMER_NORESTART : HRTIMER_RESTART;
}

3> do_sched_cfs_period_timer()调用__refill_cfs_bandwidth_runtime()重新分配task_group的runtime，然后调用distribute_cfs_runtime()进行unthrottle

int do_sched_cfs_period_timer(struct cfs_bandwidth* cfs_b, int overrun)
{
    __refill_cfs_bandwidth_runtime(cfs_b);
    distribute_cfs_runtime(cfs_b, runtime, runtime_expires);
}

4> __refill_cfs_bandwidth_runtime()就是将task_group.cfs_bandwidth.runtime重置为设置的cpu quota

void __refill_cfs_bandwidth_runtime(struct cfs_bandwidth* cfs_b)
{
    cfs_b->runtime = cfs_b->quota;
}

5> distribute_cfs_runtime()调用unthrottle_cfs_rq()将所有se加回到rq上去，这样group下的task就能重新调度了

u64 distribute_cfs_runtime(struct cfs_bandwidth* cfs_b, u64 remaining, u64  expires)
{
    struct cfs_rq* cfs_rq;
    list_for_each_entry_rcu(cfs_rq, &cfs_b->throttled_cfs_rq, throttled_list)
    {
        unthrottle_cfs_rq(cfs_rq);
    }
}
 
void unthrottle_cfs_rq(struct cfs_rq* cfs_rq)
{
    se = cfs_rq->tg->se[cpu_of(rq_of(cfs_rq))];
    enqueue_entity(cfs_rq, se, ENQUEUE_WAKEUP);     // 将se加回rq.cfs_rq的红黑树上
}