Linux内核进程调度器CPU负载

　　目录
　　背景概述全局CPU平均负载
　　2。1基础概念
　　2。2流程
　　2。3计算方法运行队列CPU负载PELT
　　4。1PELT计算方法
　　4。2PELT计算调用背景Readthefuckingsourcecode！By鲁迅Apictureisworthathousandwords。By高尔基
　　说明：Kernel版本：4。14ARM64处理器，ContexA53，双核使用工具：SourceInsight3。5，Visio1。概述
　　CPU负载（cpuload）指的是某个时间点进程对系统产生的压力。来张图来类比下（参考UnderstandingLinuxCPULoad）
　　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cpuload值；单CPU满负荷运行时cpuload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cpuload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，cpuload3；
　　在实际系统中查看：catproccpuinfo：查看CPU信息；catprocloadavg：查看cpu最近1515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，内核中的其他子系统也可以参考这些CPU负载值来进行相应的调整，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（perentityloadtracking）；
　　这也是本文需要探讨的内容，开始吧。
　　需要的小伙伴私信回复内核免费领取2。全局CPU平均负载2。1基础概念
　　先来明确两个与CPU负载计算相关的概念
　　（1）activetask（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TASKRUNNING和TASKUNINTERRUPTIBLE两类任务。包含TASKUNINTERRUPTIBLE任务的原因是，这类任务经常是在等待IO请求，将其包含在内也合理；
　　（2）NOHZ：我们都知道Linux内核每隔固定时间发出timerinterrupt，而HZ是用来定义1秒中的timerinterrupts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NOHZ模式，可以在CPU空闲时将周期性时钟关掉。在NOHZ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。2。2流程
　　Linux内核中定义了三个全局变量值avenrun〔3〕，用于存放最近1515分钟的平均CPU负载。
　　看一下计算流程：
　　计算活动任务数，这个包括两部分：1）周期性调度中新增加的活动任务；2）在NOHZ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oldvalue，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NOHZ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NOHZ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；2。3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：defineFSHIFT11nrofbitsofprecisiondefineFIXED1（1FSHIFT）1。0asfixedpointdefineLOADFREQ（5HZ1）5secintervalsdefineEXP118841exp（5sec1min）asfixedpointdefineEXP520141exp（5sec5min）defineEXP1520371exp（5sec15min）
　　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〔〕；EXP1EXP5EXP15，分别代表最近1515分钟的定点化值的指数因子；active值，根据读取calcloadtasks的值来判断，大于0则乘以FIXED1（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：activeatomiclongread（calcloadtasks）；activeactive0？activeFIXED1：0；avenrun〔0〕calcload（avenrun〔0〕，EXP1，active）；avenrun〔1〕calcload（avenrun〔1〕，EXP5，active）；avenrun〔2〕calcload（avenrun〔2〕，EXP15，active）；NOHZ模式下活动任务数量更改的计算由于NOHZ空闲效应而更改的CPU活动任务数量，存放在全局变量calcloadnohz〔2〕中，并且每5秒计算周期交替更换一次存储位置（calcloadreadidxcalcloadwriteidx），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load0。5，根据calcloadtasks值获取不同的active，中间进入NOHZ模式空闲了20秒，整个计算的值如下图：
　　3。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rqcpuload〔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cpuloadupdate来计算，逻辑如下：
　　其中传入的thisload值，为运行队列现有的平均负载值。
　　上图中的衰减因子，是在NOHZ模式下去进行计算的。在没有使用tick时，从预先计算的表中计算负载值。Linux内核中定义了两个全局变量：defineDEGRADESHIFT7staticconstu8degradezeroticks〔CPULOADIDXMAX〕｛0，8，32，64，128｝；staticconstu8degradefactor〔CPULOADIDXMAX〕〔DEGRADESHIFT1〕｛｛0，0，0，0，0，0，0，0｝，｛64，32，8，0，0，0，0，0｝，｛96，72，40，12，1，0，0，0｝，｛112，98，75，43，15，1，0，0｝，｛120，112，98，76，45，16，2，0｝｝；
　　衰减因子的计算主要是在delayloadmissed（）函数中完成，该函数会返回load衰减因子的值，作为上图中的oldload。计算方式如下：
　　4。PELT
　　PELT，Perentityloadtracking。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taskgroup）4。1PELT计算方法
　　总体的计算思路：将调度实体的可运行状态时间（正在运行等待CPU调度运行），按1024us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d1d2d3，这三个段是被1024us的计算周期分割而成，periodcontrib是调度实体lastupdatetime时在计算周期间的贡献值，；总体的贡献值，也是根据d1d2d3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；
　　计算的调用流程如下图：
　　函数主要是计算时间差，再分成d1d2d3来分段计算处理，最终更新相应的字段；decayload函数要计算valyn，内核提供了一张表来避免浮点运算，值存储在runnableavgyNinv数组中；staticconstu32runnableavgyNinv〔〕｛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structschedavg来记录调度实体和CFS运行队列的负载信息，因此structschedentity和structcfsrq结构体中，都包含了structschedavg，字段介绍如下：structschedavg｛u64上一次负载更新的时间，主要用于计算时间差；u64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正在运行时间带来的负载贡献总和；u32上一次负载更新时，对1024求余的值；可运行时间的平均负载贡献；正在运行时间的平均负载贡献；｝；4。2PELT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；
　　PELT的算法还在持续的改进中，各个内核版本也存在差异，大体的思路已经在上文中介绍到了，细节就不再深入分析了。