极简组调度-CGroup如何限制cpu
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
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
structcfs_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 };structsched_entity
{
unsignedint 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 };structtask
{structsched_entity se;
};structrq
{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);returntask_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
structcfs_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 };structtask_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
《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？）
《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
voidschedule()
{
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, intoverrun)
{
__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 }