（二）Linux 调度器 - CPU负载

一、概述

CPU负载（CPU load）指的是某个时间点进程对系统产生的压力。

• CPU的运行能力，就如大桥的通行能力，分别有满负荷，非满负荷，超负荷等状态，这几种状态对应不同的CPU load值；

• 单CPU满负荷运行时 cpu_load 为1，当多个CPU或多核时，相当于大桥有多个车道，满负荷运行时 cpu_load 值为CPU数或多核数；

• CPU负载的计算（以单CPU为例），假设一分钟内执行10个任务代表满负荷，当一分钟给出30个任务时，CPU只能处理10个，剩余20个不能处理，cpu_load=3。

在实际系统中查看：

• cat /proc/cpuinfo：查看CPU信息；

• cat /proc/loadavg：查看CPU最近1/5/15分钟的平均负载。

计算CPU负载，可以让调度器更好的进行负载均衡处理，以便提高系统的运行效率。此外，内核中其他子系统也可以参考这些CPU负载值进行相应的调整，比如DVFS等。

目前内核中，有以下几种方式来跟踪CPU负载：

• 全局CPU平均负载；

• 运行队列CPU负载；

• PELT（per entity load tracking）。

二、全局CPU平均负载

基础概念

先来明确两个与CPU负载计算相关的概念：

• active task（活动任务）：只有知道活动任务数量，才能计算CPU负载，而活动任务包括了 TASK_RUNNING 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 两类任务。包含 TASK_UNINTERRUPTIBLE 任务的原因是，这类任务经常是你在等待I/O请求，将其包含在内也合理；

• NO_HZ：我们都知道Linux内核每隔固定时间发出 timer_interrupt，而HZ是用来定义1秒钟的 timer interrupts 次数，HZ的倒数是tick，是系统的节拍器，每个tick会处理包括调度器、时间管理、定时器等事务。周期性的时钟中断带来的问题是，不管CPU空闲或繁忙都会触发，会带来额外的系统损耗，因此引入了NO_HZ模式，可以在CPU空闲时将周期性时钟关掉。在NO_HZ期间，活动任务数量的改变也需要考虑，而它的计算不如周期性时钟模式下直观。

流程

Linux内核中定义了三个全局变量值 avenrun[3]，用于存在最近1/5/15分钟的平均CPU负载。计算流程：

计算活动任务数，这个包括两部分：

• 周期性调度中新增加的活动任务；

• 在NO_HZ期间增加的活动任务数；

根据活动任务数值，再结合全局变量值 avenrun[] 中的 old value，来计算新的CPU负载值，并最终替换掉 avenrun[] 中的值；

系统默认每隔5秒钟会计算一次负载，如果由于NO_HZ空闲而错过了下一个CPU负载的计算周期，则需要再次进行更新。比如NO_HZ空闲20秒而无法更新CPU负载，前5秒负载已经更新，需要计算剩余的3个计算周期的负载来继续更新。

计算方法

Linux内核中，采用11位精度的定点化计算，CPU负载1.0由整数2048表示，宏定义如下：

#define FSHIFT 11 /* nr of bits of precision */
#define FIXED_1 (1<<FSHIFT) /* 1.0 as fixed-point */
#define LOAD_FREQ (5*HZ+1) /* 5 sec intervals */
#define EXP_1 1884 /* 1/exp(5sec/1min) as fixed-point */
#define EXP_5 2014 /* 1/exp(5sec/5min) */
#define EXP_15 2037 /* 1/exp(5sec/15min) */

计算公式如下：

• load值为旧的CPU负载值 avenrun[]，整个计算完成后得到新的负载值，再更新 avenrun[]；

• EXP_1/EXP_5/EXP_15，分别代表最近1/5/15分钟的定点化值的指数因子；

• active值，根据读取 calc_load_tasks 的值来判断，大于0则乘以 FIXED_1(2048)传入；

• 根据active和load值的大小关系来决定是否需要加1，类似于四舍五入的机制。

关键代码如下：

active = atomic_long_read(&calc_load_tasks);
active = active > 0 ? active * FIXED_1 : 0;

avenrun[0] = calc_load(avenrun[0], EXP_1, active);
avenrun[1] = calc_load(avenrun[1], EXP_5, active);
avenrun[2] = calc_load(avenrun[2], EXP_15, active);

• NO_HZ模式下活动任务数量更改的计算

由于NO_HZ空闲效应而更爱的CPU活动任务数量，存放在全局变量 calc_load_nohz[2] 中，并且每5秒计算周期交替更换一次存储位置（calc_load_read_idx/calc_load_write_idx），其他程序可以去读取最近5秒内的活动任务变化的增量值。

计算示例

假设在某个CPU上，开始计算时 load=0.5，根据 calc_load_tasks 值获取不同的active，中间进入NO_HZ模式空闲了20秒，整个计算的值如下图：

三、运行队列CPU负载

Linux系统会计算每个tick的平均CPU负载，并将其存储在运行队列中 rq->cpu_load[5]，用于负载均衡。下图显示了计算运行队列的CPU负载的处理流程：

最终通过 cpu_load_update 来计算，逻辑如下：

衰减因子的计算主要是在 delay_load_missed() 函数中完成，该函数会返回 load * 衰减因子 的值，作为上图中的old_load。计算方式如下：

四、PELT

PELT，Per-entity load tracking。在Linux引入PELT之前，CFS调度器在计算CPU负载时，通过跟踪每个运行队列上的负载来计算；在引入PELT之后，通过跟踪每个调度实体的负载贡献来计算（其中，调度实体：指task或task_group）。

PELT计算方法

总体的计算思路：

将调度实体的可运行状态时间（正常运行+等待CPU调度运行），按1024ns划分成不同的周期，计算每个周期内该调度实体对系统负载的贡献，最后完成累加。其中，每个计算周期，随着时间的推移，需要乘以衰减因子y进行一次衰减操作。

先来看一下每个调度实体的负载贡献计算公式：

• 当前时间点的负载贡献 = 当前时间点负载 + 上个周期负载贡献 * 衰减因子；

• 假设一个调度实体被调度运行，运行时间段可以分成三个段 d1/d2/d3，这三个段是被1024us的计算周期分隔而成，period_contrib 是调度实体 last_update_time 时在计算周期间的贡献值；

• 总体的贡献值，也是根据 d1/d2/d3 来分段计算，最终相加即可；

• y为衰减因子，每隔1024us就乘以y来衰减一次。

计算的调度流程如下图：

• 函数主要是计算时间差，再分成 d1/d2/d3 来分段计算处理，最终更新相应的字段；

• decay_load 函数要计算 val*y^n，内核提供了一张表来避免浮点运算，值存储在 runnable_avg-yN_inv 数组中。

static const u32 runnable_avg_yN_inv[] = {
0xffffffff, 0xfa83b2da, 0xf5257d14, 0xefe4b99a, 0xeac0c6e6, 0xe5b906e6,
0xe0ccdeeb, 0xdbfbb796, 0xd744fcc9, 0xd2a81d91, 0xce248c14, 0xc9b9bd85,
0xc5672a10, 0xc12c4cc9, 0xbd08a39e, 0xb8fbaf46, 0xb504f333, 0xb123f581,
0xad583ee9, 0xa9a15ab4, 0xa5fed6a9, 0xa2704302, 0x9ef5325f, 0x9b8d39b9,
0x9837f050, 0x94f4efa8, 0x91c3d373, 0x8ea4398a, 0x8b95c1e3, 0x88980e80,
0x85aac367, 0x82cd8698,
};

Linux中使用 struct sched_avg 来记录调度实体和CFS运行队列的负载信息，因此 struct sched_entity 和 struct cfs_rq 结构体中，都包含了 struct sched_avg，字段介绍如下：

struct sched_avg {
u64 last_update_time; //上一次负载更新的时间，主要用于计算时间差；
u64 load_sum; //可运行时间带来的负载贡献总和，包括等待调度时间和正在运行时间；
u32 util_sum; //正在运行时间带来的负载贡献总和；
u32 period_contrib; //上一次负载更新时，对1024求余的值；
unsigned long load_avg; //可运行时间的平均负载贡献；
unsigned long util_avg; //正在运行时间的平均负载贡献；
};

PELT计算调用

PELT计算的发生时机如下图所示：

调度实体的相关操作，包括入列出列操作，都会进行负载贡献的计算。